制冷技术及设备培训讲义

制冷技术及设备培训讲义 霍正齐

武汉新世界制冷工业有限公司

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第一章 绪论

§1-1 制冷慨述

一、何谓制冷

冷和热是同一范畴的两个物理概念，都是物质分子运动平均动能的标志。日常生活中常说的“热”或“冷”是指温度高低的相对概念，是人体对温度高低感觉的反应。

在制冷技术中所说的冷，是指某空间内物体的温度低于周围环境介质（如水或空气）温度而言。因此“制冷”就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并连续维持这样一个温度的过程。 二、何谓人工制冷

我们都知道，热量传递终是从高温物体传向低温物体，直至二者温度相等。热量决不可能自发地从低温物体传向高温物体，这是自然界的客观规律。

然而，现代人类的生活与生产经常需要某个物体或空间的温度低于环境温度，甚至低得很多。例如，储藏食品需要把食品冷却到０℃左右或-15℃左右，甚至更低；合金钢在-70℃～-90℃低温下处理后可以提高硬度和强度。而这种低温要求天然冷却是达不到的，要实现这一要求必须有另外的补偿过程（如消耗一定的功作为补偿过程）进行制冷。这种借助于一种专门装置，消耗一定的外界能量，迫使热量从温度较低的被冷却物体或空间转移到温度较高的周围环境中去，得到人们所需要的各种低温，称谓人工制冷。而这种装置就称谓制冷装置或制冷机。

三、实现制冷的途径

制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前人工制冷的方法主要有相变制冷、气体绝热膨胀制冷和半导体制冷三种。

１、相变制冷 即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如冰融化时要吸取80 kcal/kg的熔解热；氨在１标准大气压下气化时要吸取327kcal/kg的气化潜热；干冰在１标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量，其升华温度为-78.9℃。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。

２、气体绝热膨胀制冷 利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨胀功，同时温度降低，达到制冷的目的。

３、半导体制冷 珀尔帖效应告诉我们：两种不同金属组成的闭合电路中接上一个直流电源时，则一个接合点变冷，另一个接合点变热。但是纯金属的珀尔帖效应很弱，且热量通过导线对冷热端有相互干扰，而用两种半导体（Ｎ型和Ｐ型）组成的直流闭合电路，则有明显的珀尔帖效应且冷热端无相互干扰。因此，半导体制冷就是利用半导体的温差电效应实现制冷地。目前温差电制冷只用在小型制冷器中，如电子计算机恒温冷却、精密测量仪器的冷源及精密机床的油箱冷却器等等，都是温差电制冷。

利用物理现象制冷的方法还有很多，我们不一一介绍。目前生产实际中广泛应用的制冷方法是：利用液体的气化实现制冷，这种制冷常称为蒸气制冷。它的类型有：蒸汽压缩式制冷（消耗机械能）、吸收式制冷（消耗热能）和蒸汽喷射式制冷（消耗热能）三种。 四、制冷体系的划分

制冷服务对象不同，要求的制冷温度也不同。在工业生产和科学研究上，人们通常根据制冷温度的不同把人工制冷分为“普冷”和“深冷”两个体系。一般把制取温度高于-120℃的称为“普冷”、低于-120℃的称为“深冷”。其中深冷又可分为深度制冷、低温制冷与超低温制冷。

由于低温范围的不同，制冷系统的组成也不同，因此，根据食品制冷要求，本课程我们只介绍普通制冷温度范围内的蒸气压缩制冷。

§1-2 制冷的发展简史及应用

一、我国制冷的发展简史

人类最早的制冷方法是利用自然界存在的冷物质-冰、深井水等。我国早在周朝就有了用冰的历史。到了秦汉，冰的使用就更进了一步，据《艺文志》记载：大秦国有五宫殿，以水晶为柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开发。”这实质是我国最早的空调房间。到了唐朝已生产冰镇饮料并已有了冰商。冰酪、奶冰也发源于中国，是冰淇淋的雏形，在元朝时由意大利著名旅行家马可·波罗带到了欧洲。

人工制冷至今在世界上才有100多年的历史。旧中国制冷工业基本上是空白，解放前上海只有几家很小的“冰箱厂”且只搞维修业务，全国冷库也仅有几座。解放后，制冷工业得到飞速发展，特别是八十年代通过引进国外先进技术，使我国的制冷、空调产品打入了国际市场。 二、制冷技术的应用

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随着制冷工业的发展，制冷技术的应用也日益广泛，现已渗透到人们生活和生产活动的各个领域，从日常的衣、食、住、行，到尖端科学技术都离不开制冷技术。

１、空调工程

空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。光学仪器仪表、精密计量量具、纺织等生产车间及计算机房等，都要求对环境的温度、湿度、洁净度进行不同程度的控制；体育馆、大会堂、宾馆等公共建筑和小汽车、飞机、大型客车等交通工具也都需有舒适的空调系统。

２、食品工程

易腐食品从采购或捕捞、加工、贮藏、运输到销售的全部流通过程中，都必须保持稳定的低温环境，才能延长和提高食品的质量、经济寿命与价值。这就需有各种制冷设施，如冷加工设备、冷冻冷藏库、冷藏运输车或船、冷藏售货柜台等。

３、机械与电子工业

精密机床油压系统利用制冷来控制油温，可稳定油膜刚度，使机床能正常工作。对钢进行低温处理可改善钢的性能，提高钢的硬度和强度，延长工件的使用寿命。多路通讯、雷达、卫星地面站等电子设备也都需要在低温下工作。

４、医疗卫生事业

血浆、疫苗及某些特殊药品需要低温保存。低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也需制冷技术。 ５、国防工业和现代科学

在高寒地区使用的发动机、汽车、坦克、大炮等常规武器的性能需要作环境模拟试验，火箭、航天器也需要在模拟高空条件下进行试验，这些都需要人工制冷技术。人工降雨也需要制冷。

６、家用冰箱及空调等日常生活方面也是制冷技术的应用。 7、水利工程

水利工程中大坝浇注的混凝土降温，有一次风冷、二次风冷、片冰生产等。 8、煤矿矿井施工及地铁施工

煤矿矿井施工及地铁施工采用冻结法施工工艺。

总之，制冷技术的应用是很广泛的，随着国民经济的发展，科学技术的进步，人民生活水平的不断提高，制冷技术的发展与应用将会走向新的领域。

第二章 制冷技术的热力学基础

§2-1 制冷工质的热力状态参数

在制冷循环中，工质不断地进行着热力状态变化。描述工质所处热力状态的物理量称为工质的热力状态参数，简称状态参数。一定的状态，其状态参数有确定的数值。工质状态变化时，初、终状态参数之间的差值，仅与初、终状态有关，而与状态变化的过程无关。

制冷技术中常见的状态参数有：温度、压力、比容、内能、焓与熵等。这些参数对于进行制冷循环的分析和热力计算，都是非常重要的。

一、温度 温度是描述热力系统冷热状态的物理量，是标志物体冷热程度的参数。

物体的温度可采用测温仪表来测定。为了使温度的测量准确一致，就要有一个衡量温度的标尺，简称温标，工程上常用的温标有：

1、摄氏温标 又叫国际百度温标，常用符号t表示，单位为℃。 2、绝对温标 常用符号T表示，单位为开尔文（代号为K）。 绝对温标与摄氏温标仅是起点不同而已（t=0℃时，T=273.16K），它们每度的温度间隔确是一致的。在工程上其关系可表示为：

T=273+t（K）

二、压力 压力是单位面积上所承受的垂直作用力，常用符号P表示。 压力可用压力表来测定。在国际单位制中，压力单位为帕斯卡（Pa），实际应用时也可用兆帕斯卡（MPa）或

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巴（bar）表示,1MPa=10Pa而1bar=10 Pa。

压力的标记有绝对压力、表压力和真空度三种情况。绝对压力是指容器中气体的实际压力，用符号P表示；

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表压力（PB）是指压力表（或真空表）所指示的压力；而当气体的绝对压力比大气压力（B）还低时，容器内的绝对压力比大气压力低的数值，称为真空度（PK）。三者之间的关系是：

P=PB+B 或 P=B-PK

作为工质的状态参数应该是绝对压力，而不是表压力或真空度。

三、比容 比容是指单位质量工质所占有的容积，用符号υ表示。

比容是说明工质分子之间密集程度的一个物理量。比容的倒数为工质的密度，即单位容积工质所具有的质量，用符号ρ表示。比容和密度之间互为倒数关系。

四、内能 内能是工质内部所具有的分子动能和分子位能的总和，用符号ｕ表示。

分子动能包括分子的直线运动动能、旋转运动动能和分子内部振动能三项，其大小与气体的温度有关。而分子位能的大小与分子间的距离有关，亦即与工质的比容有关。

既然气体的内动能决定于气体的温度、内位能决定于气体的比容，所以气体的内能是其温度和比容的函数。也就是说内能是一个状态参数。

五、焓 焓是一个复合的热力状态参数，表征系统中所有的总能量，它是内能与压力之和。对１kg工质而言，可表示为：

ｈ＝ｕ＋Pυ （kJ/kg）或（kcal/kg）

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式中 ｈ— 焓或称比焓（kJ/kg或kcal/kg） υ— 比容（m/kg）

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ｕ— 内能（kJ/kg或kcal/kg） P— 绝对压力（N/m或[wqp1][wqp2]Pa） 在工程单位制中，压力单位常用工程气压、物理大气压和毫米水柱等单位。

由于内能和压力位能都是温度的参数，所以焓也是状态参数。确切地说，焓是一定质量的流体，从某一初始状态变为任一热力状态所加入的总热量。

六、熵 熵是一个导出的热力状态参数，熵的中文意义是热量被温度除所得的商，熵的外文原名意义是“转变”，指热量可以转变为功的程度，它表征工质状态变化时，与外界热交换的程度。熵是通过其他可以直接测量的数量间接计算出来的。

§2-2 热力学第二定律与理想制冷循环

一、热力学第二定律

在热量传递和热、功转换时，热力学第一定律只能说明它们之间的数量关系，的确不能揭示热功转换的条件和方向性。对于能量传递和转换过程进行的方向、条件和限度则是由热力学第二定律来揭示的，它指出：“热量能自发的从高温物体传向低温物体，而不能自发的从低温物体传向高温物体”。这正像石头或水不可能自发的从低处向高处运动一样。但这并不是说石头和水在任何条件下都不可能由低处移向高处，只要外界给它们足够大的作用力，在这个力的作用下石头或水就能由低处移向高处，这个外界作用力称为补偿。同样，不能把热力学第二定律的说法理解为：“不可能把热量从低温物体传到高温物体”。而是只要有一个补偿过程，热量就能自低温物体传到高温物体。制冷装置就是以消耗一定的外间功作为补偿过程而实现人工制冷的。 二、循环与理想制冷循环

P 1 q1 2 w0 4 q2 6 3 P 1 q1 2 -w 0

5 υ 正循环 4

q2 4 6 3 5 υ 逆循环 1、正循环及热效率 膨胀--压缩循环按顺时针 方向进行的，称为正循环。在 P—υ图上，正循环的膨胀线 1—2—3位于压缩线3—4—1 之上。正循环的单位质量净功 w0 为正值，若设高温热源加给工质的热量为q1，工质放给低温热源的热量为q2，则： (一)循环 热变功的根本途径是依靠工质的膨胀。为了持续不断地将热转换为功,工程上是通过热机来实现的。但工质在热机汽缸中仅仅完成一个膨胀过程是不可能满足要求的。为了能重复地进行膨胀，工质在每次膨胀之后必须进行压缩，以便使其回到初态。我们把工质从初态出发，经过一系列状态变化又回到初态的封闭过程，称为“循环”。循环按其进行方向不同又可分为正循环和逆循环。如下图所示：

评价正循环的好坏，通常用循环热效率ηt来衡量，循环热效率是指工质在整个热力循环中，对外界所作的净功w0 与循环中外界所加给工质的热量q1的比值。即： q2 q1-q2 w0 η= =1- = t q1 q1 q1

2.逆循环及性能系数

膨胀--压缩循环按逆时针方向进行的，称为逆循环。如图2-1所示。逆循环的压缩线3—2—1位于膨胀线1—4—3 之上。其循环的净功为负值。若用q1表示工质向高温热源放出的热量，用q2表示工质从低温热源吸收的热量，则有： w0=q1-q2 或q1=q2+w0

上式说明，外界对工质做功，且热量的传递方向也全部改变。也就是说，逆循环的效果是消耗外界的功，将热量从低温物体传递给高温物体。如逆循环的目的是从低温物体中吸收热量，则称为制冷循环。如逆循环的目的是给高温物体供热，则称为热泵循环。

逆循环的好坏通常用性能系数ε来衡量。对于制冷机来说，是指从冷源吸收的热量

q2与消耗的循环净功w0的比值ε1称为制冷系数。对于热泵来说，是指供给热源的热量q1与消耗的循环净功w0的比值ε2称为供热系数。则有：

q2+ w0 ε= q/ w 120=ε1+1 ε= q/ w= 210w0

从上述分析可见，伴随着低温热源把一部分热量q2传送到高温热源中去的同时, 循环的净功w0也将转变为热量并流向高温热源，这就是使热量从低温热源传给高温热源所必需的补偿条件。没有这个补偿条件，热量是不可能从低温热源传给高温热源的。

（二）理想制冷循环

理想制冷循环可通过逆卡诺循环来说明。 qk T 逆卡诺循环如图2-2所示，它由两个等温过程

2 Tk 3 和两个绝热过程组成。假设低温热源（即被冷却物

w0 体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度 为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过 1 T0 4 q0程中为Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源 S 及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行

图2-2 逆卡诺循环T—S图

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的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行 的。其循环过程为：

首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。 对于逆卡诺循环来说，由图2-2可知： q0=T0(S1-S4）

qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）

w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）

则逆卡诺循环制冷系数εk 为： T0 (S1—S4） q0 T0 ε= = k w0 = (T Tk—T0 k—T0) (S1—S4） 由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0，均可提高制冷系数。此外，由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。

总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。即：

η=ε/εk

热力完善度是用来表示制冷机循环接近逆卡诺循环循环的程度。它也是制冷循环的一个技术经济指标，但它与制冷系数的意义不同，对于工作温度不同的制冷机循环无法按其制冷系数的大小来比较循环的经济性好坏，而只能根据循环的热力完善度的大小来判断。

§2-3 制冷剂的相态变化及其状态图

一、制冷剂的相态变化

众所周知，物质有三种状态，就是固态、液态和气态。通常我们把固态的物体叫固体，液态的物体叫液体，气态的物体叫气体。物质的三种状态，在一定的压力和温度条件下是可以相互转化的。其转化过程分别称为：

1.汽化 物质从液态转变为气态的过程称为汽化。

汽化有蒸发和沸腾两种形式。其中，在液体表面进行的汽化过程叫蒸发，在液体内部产生气泡的剧烈汽化过程叫沸腾。在一定压力下，蒸发在任何温度下都可进行，而沸腾只有液体被加热到一定温度才开始进行。当汽液两相共存并且保持平衡状态时称为饱和状态。此时的蒸汽和液体分别叫做饱和蒸汽和饱和液体，处于饱和状态的压力与温度称为饱和压力与饱和温度。饱和压力与饱和温度总是相互对应的，即一定的饱和压力对应着一定的饱和温度，反之亦然。二者之间的对应关系是：饱和温度愈高，饱和压力也愈高。反之，饱和压力愈高，饱和温度也愈高。这是饱和状态的一个重要特点。

2.冷凝 物质从汽态转变为液态的过程称为冷凝或叫做液化。

汽体的液化温度与压力有关，增大压力，可使汽体在较高的温度下液化。液化的基本方法是降低温度和增加压力。

3.升华 物质由固态直接转变为气态的过程称为升华。

4.凝华 物质由气态直接转变为固态的过程称为凝华。例如空气中的水蒸汽在膨胀阀上结霜时发生的过程。

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二、制冷剂的压—焓图及热力性质表

制冷剂的热力状态可以用其热力性质表来说明(常用制冷剂的饱和热力性质表见附表)，也可以用压—焓图来表示。压—焓图(lgP—h图)是一种以绝对压力的对数值lgP为纵坐标，焓值为横坐标的热工图表。采用对数值lgP（而不采用P）为纵坐标的目的是为了缩小图的尺寸，提高低压区域的精确度，但在使用时仍然直接从图上读出P的数值即可。

1.1. 压—焓图(lgP—h图)的结构

压—焓图中有两条比较粗的曲线，左边一条为饱和液体线(干度χ=0)，右边一条为干饱和蒸汽线(干度χ=1)，两线交于一点K，且将图分成了三个区域。其中K称为临界点，饱和液体线左侧为过冷液体区，干饱和蒸汽线右侧为过热蒸汽区，两线之间为湿蒸汽区。

压—焓图中有六种等状态参数线，如图2—3所示： ①等压线P：水平细直线。 ②等焓线h：竖直细直线。 ③等温线t：点划线，其在过冷液体区 为竖直线，在湿蒸汽区为水平线，在过热蒸汽区为稍微向右下方弯曲的曲线。 ④等熵线S：为从左到右稍向上弯曲的 lgP 2 16 4 5 3 h 实线。 ⑤等比容线υ：在湿蒸汽区和过热蒸汽 图2—3 压—焓图 区中，为从左到右稍向上弯曲的虚线，但比

等熵线平坦，液体区无等比容线，因为不同压力下的液体容积变化不大。

⑥等干度线χ：只存在于湿蒸汽区和过热蒸汽区域内，走向与饱含液体线或干饱和蒸汽线基本一致。

压—焓图上每一点都代表制冷剂的某一状态，在温度、压力、比容、焓、熵、干度六个状态参数中，只要知道其中任意两个独立的状态参数，就可以在图中确定其状态点，从而查出其它几个状态参数。

制冷工程中，高压区和湿蒸汽区的中间部分很少用到，所以有些压一焓图中往往将这两部分删去不画。不同的制冷剂，其压—焓图(lgP—h图)的形状也有所不同，常用制冷剂R717、R12及R22的饱和热力性质表见附表。

在工程计算中，根据需要可以查取制冷剂的饱和热力性质表，根据一个状态参数，再查取制冷剂的饱和液体或干饱和蒸汽的其它状态参数。

2.压—焓图(lgP—h图)的应用

压—焓图(lgP—h图)是进行制冷循环分析和计算的重要工具，在进行制冷循环的热力分析和计算之前，必须首先确定循环的工作参数，以便利用压—焓图再来确定循环的各有关状态点的参数值，如图2—4所示。

点1：为制冷剂蒸汽进入压缩机的状态。如不考虑管路的冷量损失，则压lgP t 0 tg tk 缩机的吸汽温度t1即为制冷剂出蒸发器时的温度t0，即t1＝t0，在理想 情况下，进压缩机的制冷剂蒸汽为饱和状态。如已知蒸发温度t0，便能 2 3 知道制冷剂蒸发压力P0，这样便能根据P0＝C的等压线和干饱和蒸汽线的 5 交点得出点1。 1 点2：为制冷剂出压缩机的状态，也是进冷凝器的状态。过程l—2为制4 冷剂在压缩机中绝热压缩过程。绝热过程中熵不变，即S1＝S2，该过程沿 h 点1的等墒线进行，它与Pk=C的等压线的交点即为点2。 图2—4 点5：为制冷剂在冷凝器中凝结成饱和液体的状态。它可由Pk=C的等压线与饱和液体线相交得到。

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点3：为制冷剂液体过冷后的状态。因为制冷剂液体在过冷过程中的等于冷凝压力Pk，它的温度低于冷凝温度，所以Pk=C的等压线和tg=C的等温线交点即为点3。

点4：为制冷剂出节流阀(膨胀阀)的状态，也是进蒸发器的初态。因为节流前后的焓值不变，而压力降低至蒸发压力P0，温度为蒸发温度t0，所以由点3作垂线（即等焓线）与t0=C的等温线相交即得点4。

4—1：为制冷剂在蒸发器中的汽化吸热过程。这样根据图上所得的状态点，即可查得各状态点的热力参数值。

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例2—1 绝对压力为2bar，比容为0.7m／kg的氨呈何种状态?

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解: 所求的状态是1gP一h图上P＝2bar的水平线和υ＝0.7 m／kg的等比容线的

交点A(见图2—4)。因为A点在过热区内，所以这时氨的状态是过热蒸汽，该状态点的温度为20℃，焓值约为1470 kJ／kg。

例2—2 绝对压力为10bar，温度为20℃的氟利昂—22呈何种状态?

解: 所求状态可由10bar的等压线和20℃等温线的交点B来表示(见图2—5)。因为B点在过冷区内，所以这时氟利昂—22的状态为过冷液体，其焓值为224.08 kJ／kg。

例2—3 氟利昂—22压缩机吸入的汽体为-5℃的干饱和蒸汽，如将其绝热压缩到PK为12bar时，其压缩终态的温度是多少?

解: 压缩机吸入状态可由-5℃等温线与干饱和蒸汽线的交点C来确定(见图2—6)。点C的熵值S=1.76 kJ／kg·K，因其为绝热压缩过程，故压缩过程熵值不变。因此压缩终点D是压力PK=12 bar的等压线与S=1.76 kJ／kg·K的等熵线的交点。由图上查得此点的温度Td=47℃即为所求压缩终态温度。

lgP υ=0.7m3/kg lgP lgP 20℃ ―5℃ 47℃ 10 D12 2.0 A bar bar bar C 20℃ S=1.76 h h h 224.08kJ/kg 1470kJ/kg 图2—5 图2—6 图2—7

综上所述，压一焓图不仅可以简便地确定制冷剂的状态参数，并且能表示出制冷循环及过程中参数的变化和能量变化，它可以用线段的长短来表示能量多少。由于制冷剂在蒸发器和冷凝器中的吸热和放热过程都是在定压下进行，而定压过程中热量的变化以及压缩机在绝热压缩过程中所消耗的功都可以用焓差来计算，并且制冷剂在节流阀前后的焓值又保持不变，所以利用1gP一h图来分析制冷循环及进行热力计算最为方便。

第三章 制冷剂与载冷剂

§3-1 制 冷 剂

制冷剂又称制冷工质，它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。它的性质直接关系到制冷装置的制冷效果、经济性、安全性及运行管理，因而对制冷剂性质要求的了解是不容忽视的。

一、对制冷剂性质的要求

１.临界温度要高，凝固温度要低。这是对制冷剂性质的基本要求。临界温度高，便于用一般的冷却水或空气进行冷凝；凝固温度低，以免其在蒸发温度下凝固，便于满足较低温度的制冷要求。 ２.在大气压力下的蒸发温度要低。这是低温制冷的一个必要条件。

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３.压力要适中。蒸发压力最好与大气压相近并稍高于大气压力，以防空气渗入制冷系统中，从而降低制冷能力。冷凝压力不宜过高（一般≯12～15绝对大气压），以减少制冷设备承受的压力，以免压缩功耗过大并可降低高压系统渗漏的可能性。

４.单位容积制冷量ｑv要大。这样在制冷量一定时，可以减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸。 ５.导热系数要高，粘度和密度要小。以提高各换热器的传热系数，降低其在系统中的流动阻力损失。 ６.绝热指数ｋ要小。由绝热过程中参数间关系式可知，在初温和压缩比相同的情况下，K↑→T2↑。可见，ｋ小可降低排气温度。

７.具有化学稳定性。不燃烧、不爆炸、高温下不分解、对金属不腐蚀、与润滑油不起化学反应、对人身健康无损无害。

８.价格便宜，易于购得。且应具有一定的吸水性，以免当制冷系统中渗进极少量的水分时，产生“冰塞”而影响正常运行。

二、制冷剂的一般分类

根据制冷剂常温下在冷凝器中冷凝时饱和压力Pk和正常蒸发温度T0的高低，一般分为三大类： １.低压高温制冷剂

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冷凝压力Pk≤２～３Kg/cm（绝对），T0 >０℃ 如Ｒ11（CFCl3），其T0＝23.7℃。这类制冷剂适用于空调系统的离心式制冷压缩机中。通常３０℃时，Pk

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≤3.06Kg/cm。

２.中压中温制冷剂

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冷凝压力Pk< 20Kg/cm（绝对），０℃< T0 >-60℃。

如Ｒ717、Ｒ12、Ｒ22等，这类制冷剂一般用于普通单级压缩和双级压缩的活塞式制冷压缩机中。 ３.高压低温制冷剂

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冷凝压力Pk≥20Kg/cm（绝对），T0≤-70℃。

如Ｒ13（CF3Cl）、Ｒ14（CF4）、二氧化碳、乙烷、乙烯等，这类制冷剂适用于复迭式制冷装置的低温部分或-７０℃以下的低温装置中。

三、常用制冷剂的特性

目前使用的制冷剂已达70～80种，并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种： １.氨（代号：Ｒ717）

氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨的凝固温度为-77.7℃，标准蒸发温度为-33.3℃，在常温下冷凝压力一般为1.1～1.3MPa，即使当夏季冷却水温高达３０℃时也决不可能超过1.5MPa 。氨的单位标准

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容积制冷量大约为520kcal/ｍ。

氨有很好的吸水性，即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结，故系统内不会发生“冰塞”现象。氨对钢铁不起腐蚀作用，但氨液中含有水分后，对铜及铜合金有腐蚀作用，且使蒸发温度稍许提高。因此，氨制冷装置中不能使用铜及铜合金材料，并规定氨中含水量不应超过0.2％。

氨的比重和粘度小，放热系数高，价格便宜，易于获得。但是，氨有较强的毒性和可燃性。若以容积计，当空气中氨的含量达到0.5％～0.6％时，人在其中停留半个小时即可中毒，达到11％～13％时即可点燃，达到16％时遇明火就会爆炸。因此，氨制冷机房必须注意通风排气，并需经常排除系统中的空气及其它不凝性气体。 总上所述，氨作为制冷剂的优点是：易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小，泄漏时易发现。其缺点是：有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸，对铜及铜合金有腐蚀作用。

２.氟利昂-12（代号：Ｒ12）

Ｒ12为烷烃的卤代物，学名二氟二氯甲烷。它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂。Ｒ12的标准蒸发温度为-29.8℃，冷凝压力一般为0.78～0.98MPa，凝固温度为-155℃，单位容积标准制冷量约为288kcal/ｍ3。

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Ｒ12是一种无色、透明、没有气味，几乎无毒性、不燃烧、不爆炸，很安全的制冷剂。只有在空气中容积浓度超过80％时才会使人窒息。但与明火接触或温度达400℃以上时，则分解出对人体有害的气体。

Ｒ12能与任意比例的润滑油互溶且能溶解各种有机物，但其吸水性极弱。因此，在小型氟利昂制冷装置中不设分油器，而装设干燥器。同时规定Ｒ12中含水量不得大于0.0025％，系统中不能用一般天然橡胶作密封垫片，而应采用丁晴橡胶或氯乙醇等人造橡胶。否则，会造成密封垫片的膨胀引起制冷剂的泄漏。 ３.氟利昂-22（代号：Ｒ２２）

Ｒ22也是烷烃的卤代物，学名二氟一氯甲烷，标准蒸发温度约为-41℃，凝固温度约为-160℃，冷凝压力同

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氨相似，单位容积标准制冷量约为454kcal/ｍ。

Ｒ22的许多性质与Ｒ12相似，但化学稳定性不如Ｒ12，毒性也比Ｒ12稍大。但是，Ｒ22的单位容积制冷量却比Ｒ12大的多，接近于氨。当要求-40～-70℃的低温时，利用Ｒ22比Ｒ12适宜，故目前Ｒ22被广泛应用于-40～-60℃的双级压缩或空调制冷系统中。

§3-2 载 冷 剂

载冷剂是用来先接受制冷剂的冷量而后去冷却其它物质的媒介物质，又称冷媒。它在间接制冷系统中起着传递制冷剂冷量的作用。

一、对载冷剂的要求

选择载冷剂时应考虑因素有：冰点、比热、对金属腐蚀性和价格等。 １.比热要大 比热大，载冷量就大，从而可减小载冷剂的循环量。 ２.粘度低、导热系数高。

３.凝固点低且要适宜，因凝固点过低将导致比热减小、粘度增大。 ４.无臭、无毒、使用安全，且对金属的腐蚀性要小。

５.价格低廉，易于购得。

二、常用载冷剂及性质

载冷剂的种类较多，可以是气体、液体或固体。常用载冷剂有空气、水和盐水溶液。 １.空气和水

空气或水是最廉价、最易获得的载冷剂。都具有密度小、安全无害、对设备几乎无腐蚀性等优点。但空气的比热小，所以只有利用空气直接冷却时才采用空气作载冷剂。水虽有比热大的优点，但水的冰点高，所以水仅能用作制出０℃以上的载冷剂。０℃以下应采用盐水作载冷剂。 ２.盐水溶液

盐水是最常用的载冷剂，由盐溶于水制成。常用的盐水主要有氯化钠水溶液和氯化钙水溶液。

盐水的性质于溶液中含盐量的多少有关。特别需要指出，盐水的凝固点取决于盐水的浓度。图2-1中的曲线表示盐水溶液的凝固点与浓度的关系。 图中曲线Ⅰ（实线）为氯化钠盐

水的凝固曲线，曲线Ⅱ（虚线）为氯 0℃ 化钙盐水的凝固曲线。由这两条曲线 -10 可知 ,无论哪一种盐水，当盐水的浓 -20 度小于某一定值时，其凝固温度随浓 -30 度的增加而降低，当浓度大于这一定 -40 值以后，凝固温度随浓度的增加反而 -50 升高。此转折点称为冰盐共晶点，对 -60

应的浓度称共晶浓度。该点相当于全 0 10 20 30 40 50％ 部盐水溶液冻结成一块冰盐结晶体，

它是最低的凝固点。 图3-1 盐水的凝固点与浓度的关系 在共晶点的左侧，如果盐水的

浓度不变，而温度降低，当低于该浓度所对应的凝固点时，则有冰从盐水中析出，所以共晶点左面的曲线称为

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析冰线。当盐水的浓度超过共晶浓度时（即在共晶点的右面），如果盐水的浓度不变，而当温度降低到该浓度所对应的凝固点以下时，从溶液中析出的不再是冰而是结晶盐，因此共晶点右面的曲线称为析盐线。

不同的盐水溶液其共晶点是不同的，如氯化钠盐水的共晶温度为-21.2℃，共晶浓度为22.4％；而氯化钙盐水的共晶温度为-55℃，共晶浓度为 29.9％。

盐水虽具有原料充沛、成本低、凝固点可调等优点，但由于盐水的浓度对盐水溶液的性质具有很大影响，故盐水作为载冷剂时应注意以下问题：

（１）要合理地选择盐水的浓度。盐水的浓度增高，虽可降低凝固点，但使盐水密度加大、比热减小。而盐水密度加大与比热减小，都会使输液泵的功率消耗增大。因此，不应选择过高的盐水浓度，而应根据使盐水的凝固点低于载冷剂系统中可能出现的最低温度为原则来选择盐水的浓度。目前一般在选择盐水浓度时，使其凝固温度比制冷剂的蒸发温度低５～８℃为宜。

（２）注意盐水对设备及管道的腐蚀问题。盐水对金属的腐蚀随溶液中含氧量的减少而变慢。为此，最好采用闭式盐水系统，以减少盐水与空气接触机会，从而降低对设备及管道的腐蚀。此外，盐水的含氧量随盐水浓度的降低而增高。因而，从含氧量与腐蚀性来要求，盐水浓度不可太低。另外，为了减轻盐水的腐蚀性，还应

3

在盐水中加入一定量的防腐剂并使其具有合适的酸碱性。一般１ｍ氯化钠水溶液中应加3.2kg重铬酸钠和

3

0.88kg氢氧化钠；１ｍ氯化钙水溶液中应加1.6kg重铬酸钠和0.44kg氢氧化钠。加入防腐剂后，必须使盐水呈弱碱性（pＨ=7.5～8.5），这可通过氢氧化钠的加入量进行调整。添加防腐剂时应特别小心并注意毒性。 （３）盐水载冷剂在使用过程中，会因吸收空气中的水分而使其浓度降低。为了防止盐水的浓度降低，引起凝固点温度升高，必须定期检测盐水的比重。若浓度降低，应适当补充盐量，以保持在适当的浓度。

§3-3 润 滑 油

一、润滑油的作用

润滑油在制冷工程上通常称为冷冻机油，它在制冷压缩机的运行中起着重要作用。主要有如下几方面： 1.起润滑作用 减小机器运动部件的摩擦和磨损，延长使用寿命。

2.降低温度 冷冻机油在制冷压缩机内不断循环，能够带走制冷压缩机工作过程中产生的许多热量，使机器保持较低的温度，从而提高制冷压缩机的效率和使用可靠性。

3.起密封作用 冷冻机油在轴封及汽缸与活塞间起密封作用，防止制冷剂泄漏。

4.提供卸载机构的动力 带有卸载装置的制冷压缩机中，利用冷冻机油的油压作为卸载机构的动力。

二、润滑油的性能指标及选用 (一) 润滑油的性能指标

1.粘度 粘度是润滑油的一个主要性能指标，不同制冷剂对粘度有不同要求，如R12

与润滑油能相互溶解，会使润滑油粘度降低，故应选用粘度较高的润滑油。压缩机中润滑油的粘度过大和过小都不好。粘度过大会使压缩机摩擦功率和摩擦发热量增加，启动力矩增大，机器效率降低;粘度过小，则因不能建立起所需油膜而加速轴承等处的磨损。因此粘度必须适中。

润滑油的粘度随温度变化而有很大变化(例如温度由50℃升高到100℃时，矿物油的粘度值降低到原来值的1/3—1/6)。故应选用温度对粘度影响小的润滑油。

2.浊点 润滑油的浊点是表示当温度降低到某一数值时，润滑油中开始析出石蜡(即润滑油变得混浊)时的温度。制冷压缩机中所使用的润滑油，其浊点应低于制冷剂的蒸发温度。特别在氟系统中，一部分润滑油溶解于制冷剂中而随制冷剂流到制冷系统各处，若油中有石蜡析出，它会积存在节流阀处引起堵塞，或积存在蒸发器的传热表面，减弱传热效果。

3.凝固点 润滑油在试验条件下，冷却到停止流动的温度，称为凝固点。用于制冷

压缩机的润滑油，凝固点应越低越好。一般凝固点应低于-40℃。当润滑油与制冷剂互相溶解时，凝固点将会降低。

4.闪点 润滑油(在开口盛油器内)加热到它的蒸汽与火焰接触时，发生闪火的最低

温度称为闪点。制冷压缩机所用的润滑油其闪点应比排汽温度高25—35℃，以免引起润滑油的燃烧与结焦。通常对氨、R12和R22用的润滑油，其闪点应在160—170℃以上。

5.学稳定性及抗氧化性 润滑油应具有良好的化学稳定性和抗氧化，否则在高温或金属的催化作用下，与制冷剂等接触反应，会生成焦炭、酸性物等有害物质。

6.含水量与机械杂质 润滑油中不应含有水分，因为水分不但会使蒸发压力下降，蒸发温度升高，而且会

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加剧油的化学变化及腐蚀金属的作用。水分在氟利昂压缩机中还会引起“镀钢现象”，使铜零件与氟利昂发生作用而分解出铜，并积聚在轴承、阀门等零件的钢质表面上。结果使这些表的厚度增加，破坏了轴承的间隙，使机器运转不良。这种现象出现在封闭式和半封闭式压缩机中较多。

一般新油中不含有水分和机械杂质，因为用于制冷机的润滑油，在生产过程中都经过了严格的脱水处理。但脱水润滑油具有很强的吸湿性，所以在储运、加油时，应尽量避免和空气接触。

用汽油或苯将润滑油溶解稀释，并用滤纸过滤后所残存的物质称为润滑油的机械杂质。润滑油中的机械杂质会加速零件的磨损和油的绝缘性能的降低、堵塞润滑油通道，所以杂质也是越少越好，一般规定不超过0.01％。 7.击穿电压 击穿电压是一个表示润滑油绝缘性能的指标，纯润滑油绝缘性能很好，但当其含有水分、纤维、灰尘等杂质时，绝缘性能就会降低。

半封闭式和全封闭式压缩机,一般要求润滑油的击穿电压在25kV以上。因为润滑油直接和电机绕组接触。

（二）国产冷冻机油的规格及选用

我国目前冷冻机油规格是按照石油化工总公司颁布的《ZBE34003—86》的标准生产的，本标准的产品，按40℃时运动粘度中心值分为N15、N22、N32、N46和N68五个粘度等级，都可用于以氨为制冷剂的冷冻机。其主要性能指标如表2—1所示。但是以前颁布的冷冻机油规格是按50℃时的运动粘度值而分为13、18、25和30四个牌号。选用时可参考冷冻机油新旧粘度等级对照表。 实践中，一般R12压缩机选用N32(18号)，R22压缩机选用N46(25号)，氨压缩机选用N22（13号)或N46(25号)。

表2—1 国产冷冻机油的规格及主要性能指标

项 目 粘 度 等 级 2运动粘度(mm/s) 闪点(℃)≤ 凝点(℃)≤ 酸值(mgKOH/g)≤ 氧化后酸值≤ 氧化沉淀物≤ 水分 机械杂质

N15 13.5-16.5 150 质 量 指 标 N22 N32 N46 19.8-24.2 28.8-35.2 41.4-50.6 160 160 170 -40 0.02 0.03 0.2 0.02% 0.05 0.005% 无 无 N68 61.2-74.8 180 -35 0.05 0.05 0.005% 0.1 0.02% 第四章 蒸气压缩式制冷循环

§4-1 压缩式制冷循环原理

前面我们讲过，液体气化的吸热作用可用来制冷，如氨液气化、氟利昂气化都有良好的吸热制冷能力。但是，如果液体气化后排放到大气中，则既浪费又污染环境，且制冷效应只能维持到液体全部气化为止。为了解决上述问题，必需设法将气化后的蒸汽恢复到液体状态重复利用。这就需要通过压缩机和冷凝器等来完成。以下我们以氨为例来说明蒸气压缩式制冷循环原理。

理论上，最简单的压缩式制冷循环系统由：蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成，如图所示。

3 膨 胀阀冷凝器 2 lgP 蒸发器 压缩机1 3 4 2 4 1 图 2—4 h

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从蒸发器出来的氨的低温低压蒸气（状态１）被吸入压缩机内，压缩成高压高温的过热蒸气（状态２），然后进入冷凝器。由于高压高温过热氨气的温度高于其环境介质的温度，且其压力使氨气能在常温下冷凝成液体状态，因而排至冷凝器时，经冷却、冷凝成高压常温的氨液（状态３）。高压常温的氨液通过膨胀崐时，因节流而降压，在压力降低的同时，氨液因沸腾蒸发吸热使其本身的温度也相应下降，从而变成了低压低温的氨液（状态４）。把这种低压低温的氨液引入蒸发器吸热蒸发，即可使其周围空气及物料的温度下降而达到制冷的目的。从蒸发器出来的低压低温氨气重新进入压缩机，从而完成一个制冷循环。然后重复上述过程。

§4-2 单级压缩制冷循环

一、单级压缩制冷循环的基本组成

如前所述，蒸气压缩式制冷，是由压缩机、冷凝器、膨胀阀（或毛细管）和蒸发器四大部件组成的。实际上，单级压缩制冷循环的组成，除上述四大部件外，一般还有分油器、贮液器、汽液分离器及各种控制阀等部件，如下图所示。

压 缩分放空气 机冷油 凝 器放油 器蒸 发汽均放 器 液压油分水 管

离蒸 器发膨胀阀 器 贮液器

图4-1 单级压缩制冷循环示意图 二、单级压缩制冷机的工作过程

来自蒸发器内的低温低压蒸气，经汽液分离器后，被压缩机吸入气缸内压缩成高压高温的过热蒸气。然后，经氨油分离器使其中所携带的润滑油分离出来，再进入冷凝器与冷却水进行热交换后凝结成高压中温的氨液并流入贮液器。该高压液体通过调节站经膨胀阀节流降压后，再次进入汽液分离器。从汽液分离器出来的低压低温液体，进入蒸发器吸热蒸发产生冷效应，使库房内的空气及物料的温度下降，从而完成一个制冷循环。 这里需要说明一点，上述两次提到了汽液分离器，这说明该部件在制冷循环中有很重要的作用。关于这一点，我们后面再讲。

三、单级压缩制冷循环的性能指标

１.单位制冷量q0 即１kg制冷剂在蒸发器中所能制取的冷量。

２.单位容积制冷量ｑv 指压缩机吸入每立方米制冷剂蒸气所能制取冷量。 ３.单位理论功ｗ。 指压缩机压缩每公斤制冷剂所消耗的功。

４.单位冷凝热负荷ｑK 指１kg制冷剂蒸气在冷凝器中放出的热量。 ５.理论制冷系数ε0即单位制冷量与单位理论功之比。

§4-3 双级压缩制冷循环

一、采用两级压缩的原因

制冷系统的冷凝温度（或冷凝压力）决定于冷却剂（或环境）的温度，而蒸发温度（或蒸发压力）取决于制冷要求。由于生产的发展，对制冷温度的要求越来越低，因此，在很多制冷实际应用中，压缩机要在高压端压力（冷凝压力）对低压端压力（蒸发压力)的比值（即压缩比）很高的条件下进行工作。由理想气体的状态方程Pｖ/T≡Ｃ可知，此时若采用单级压缩制冷循环，则压缩终了过热蒸气的温度必然会很高(Ｖ一定，Ｐ↑→Ｔ↑），于是就会产生以下许多问题。

１.压缩机的输气系数λ大大降低，且当压缩比≥20时，λ＝0 。 ２.压缩机的单位制冷量和单位容积制冷量都大为降低。 ３.压缩机的功耗增加，制冷系数下降。

４.必须采用高着火点的润滑油，因为润滑油的粘度随温度升高而降低。

５.被高温过热蒸气带出的润滑油增多，增加了油分离器的负荷，且降低了冷凝器的传热性能。

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总上所述，当压缩比过高时，采用单级压缩循环，不仅是不经济的，而且甚至是不可能的。为了解决上述问题，满足生产要求，实际中常采用带有中间冷却器的双级压缩制冷循环。但是，双级压缩制冷循环所需的设备投资较单级压缩大的多，且操作也较复杂。因此，采用双级压缩制冷循环并非在任何情况下都是有利的，一般当压缩比≥８时，采用双级压缩较为经济合理。

二、双级压缩制冷循环的组成及常见形式

两级压缩制冷循环，是指来自蒸发器的制冷剂蒸气要经过低压与高压压缩机两次压缩后，才进入冷凝器。并在两次压缩中间设置中间冷却器。两级压缩制冷循环系统可以是由两台压缩机组成的双机（其中一台为低压级压缩机，另一台为高压级压缩机）两级系统，也可以是由一台压缩机组成的单机两级系统，其中一个或两个汽缸作为高压缸，其余几个汽缸作为低压缸，其高、低压汽缸数量比一般为1:3或1:2 。

两级压缩制冷循环由于节流方式和中间冷却程度不同而有不同的循环方式，通常分为：两次节流中间完全冷却、两次节流中间不完全冷却、一次节流中间完全冷却和一次节流中间不完全冷却四种两级压缩制冷循环方式。其中，两次节流是指制冷剂从冷凝器出来要先后经过两个膨胀阀再进入蒸发器，即先由冷凝压力节流到中间压力，再由中间压力节流到蒸发压力，而一次节流只经过一个膨胀阀，大部分制冷剂从冷凝压力直接节流到蒸发压力，相比之下，一次节流系统比较简单，且可以利用其较大的压力差实现远距离或高层冷库的供液。因此实践中采用的基本上都是一次节流两级压缩制冷循环系统。至于采用哪一种中间冷却方式，由选用制冷剂的种类来决定。通常两级压缩氨制冷系统采用中间完全冷却，而两级压缩氟利昂制冷系统，则常采用中间不完全冷却。

１、一次节流中间完全冷却的双级循环

4 3 lgP 1 2 7 5 4 中

间冷蒸高压机 低压机 冷凝发2 6 却器器3 6 器 1 膨胀阀8 膨胀阀 7 8 h 5 图4-2 一次节流中间完全冷却的双级循环

这个系统的特点是采用盘管式中间冷却器。它既有两级节流的减少节流损失效果，又起到对低压级排气完全冷却的作用。其工作过程是：

在蒸发器中产生的低压低温制冷剂蒸气（状态１），被低压压缩机吸入并压缩成中间压力的过热蒸气（状态２），然后进入同一压力的中间冷却器，在中冷器内被冷却成干饱和蒸气（状态３）。中压干饱和蒸气又被高压压缩机吸入并压缩到冷凝压力的过热蒸气（状态４），随后进入冷凝器被冷凝成制冷剂液体（状态５）。然后分成两路，一路经膨胀阀Ｆ节流降压后（状态８）进入中间冷却器，大部分液体从另一路进入中间冷却器的盘管内过冷（状态６），但由于存在传热温差，故其在盘管内不可能被冷却到中间温度，而是比中间温度一般高△ｔ＝３-５℃。过冷后的液体再经过主膨胀阀节流降压成低温低压的过冷液（状态７），最后进入蒸发器吸热蒸发，产生冷效应。

这种循环系统只适用于Ｒ717与Ｒ22的双级制冷循环系统中。 ２、一次节流中间不完全冷却的双级循环

1234 lgP 4 7 5 中

间冷蒸高压机 低压机 冷发凝2 6 却器器3 6 器 1 膨胀阀8膨胀阀 78 h5

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图4-3 一次节流中间不完全冷却的双级循环

一次节流中间不完全冷却的双级循环，主要适用于氟利昂制冷装置，采用回热循环。如图3-4 所示的SD2——4F——10A型两级压缩氟利昂制冷装置系统图，就是按图3-3 的循环设计的。这种循环系统的特点是：制冷剂主流先经盘管式中间冷却器过冷，再经回热器进一步冷却；且低压压缩机的吸气有较大的过热度；此外，低压级的排气没有完全冷却到饱和状态。

其工作过程为：从蒸发器出来的蒸汽经回热器后被低压压缩机吸入，压缩到中间压力并与中冷器出来的干饱和蒸汽在管路中进行混合，使从低压机排出的过热蒸汽被冷却后再进入高压压缩机，经压缩到冷凝压力并进入冷凝器，冷凝后的高压制冷剂液体进入了中冷器的蛇形盘管进行再冷却，然后进入回热器与从蒸发器出来的低温低压蒸汽进行热交换，使从中冷器蛇形盘管中出来的过冷液体再一次得到冷却，最后经膨胀阀进入蒸发器吸热蒸发。

12 3 分 lgP油7 8 器分油器4 5中 高压机 低压机4 间 冷782 3冷 6 却回热器 6 器 凝 膨胀阀 器 膨胀阀9101

109 h5 蒸发器 图4—4 SD2——4F——10A型两级压缩氟利昂制冷装置系统图

这种循环系统，只适用于Ｒ12或Ｒ22的双级制冷循环系统中，而决不能用于氨的制冷系统中。这是因为：虽然高、低压级吸入蒸汽的过热度都比较大，但是因为氟利昂的绝热指数K值比氨要小，故压缩机的排气温度不高。

3、两次节流中间完全冷却的双级循环 34 lgP 1 2

7 5 4 中 间蒸冷高压机 低压机 冷 发凝2 6 却器器3 6 器 1 膨胀阀8 膨胀阀 7 8 h 5 图4—5 两次节流中间完全冷却的双级循环

这个系统的特点是选用了闪发式中间冷却器。它起两个作用，其一是相当于两次节流的中间液体分离器，其二是利用一小部分液体的吸热蒸发作用，对低压机的排气进行完全中间冷却。这种型式的制冷循环系统，只适用于Ｒ717或Ｒ22的双级压缩制冷循环系统中。为了防止从中间冷却器出来的饱和液体在管路中闪发成蒸汽，通常要求中间冷却器与蒸发器之间的距离要近。

综上分析可知，采用双级压缩制冷循环，不但降低了高压机的排气温度，改善了压缩机润滑条件，而且由于各级压缩比都较小，压缩机的输汽系数大大提高。此外，采用双级压缩循环的功耗也比单级压缩循环的功耗降低。

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第五章 制冷压缩机

§5-１制冷压缩机概述

一、 制冷压缩机的作用：

制冷压缩机是制冷装置中最主要的设备，通常称为制冷装置中的主机。制冷剂蒸气从低压提高为高压以及气体的不断流动、输送，都是借助于压缩机的工作来完成的。 1、 蒸发器内吸取制冷剂蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力。 2、 提高压力将低温低压的制冷剂蒸气提高为高温高压的过热蒸气，以创造在较高温度(如夏季35℃左右的气温)

下冷凝。

3、 输送并推动制冷剂在系统内流动，完成制冷循环。

二、 制冷压缩机的种类及工作原理：

制冷压缩机的种类和形式很多，根据其工作原理，可分为容积型和速度型两大类，如图所示。

1、 容积型 容积型压缩机是靠工作腔容积的改变实现吸气、压缩、排气等过程。容积型压缩机根据其工

作部件的运动形式，又分为往复式和回转式，前者活塞在气缸内作往复运动，而后者是工作部件在气缸内作回转运动，如图5-1所示的螺杆式、滑片式等压缩机均为回转式。但目前制冷工业使用最广泛的为活塞式压缩机，且机型有几十种之多。

2、 速度型 速度型压缩机是靠高速旋转的工作叶轮对蒸气做功，使压力升高并完成输送蒸气的任务。这

类压缩机根据蒸气的流动方向分为离心式和轴流式两种，其中应用较广的是离心式。

§5-2 活塞式压缩机

一、活塞式压缩机的分类

1、按所采用的工质分类，一般有氨压缩机和氟利昂压缩机两种。

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按压缩级数分类，有单级压缩和两级压缩。单级压缩机是指压缩过程中制冷剂蒸气由低压至高压只经过一次压缩。而所谓的两级压缩机，压缩过程中制冷剂蒸气由低压至高压要连续经过两次压缩。

(a) (b) 直流式 非直流式 图5—2 压缩机的作用方式 图5—3 压缩机中气体流动方式 2、 按作用方式分类，有单作用压缩机和双作用压缩机。

单作用式如图5-2a所示，其制冷剂蒸气仅在活塞的一侧进行压缩，活塞往返一个行程，吸气排气各一次。而双作用压缩机如图5-2b所示，制冷剂蒸气轮流在活塞两侧的气缸内进行压缩，活塞往返一个行程，吸、排气各两次。所以同样大小的气缸，双作用压缩机的吸气量较单作用的大。但是由于双作用压缩机的结构较复杂，因而目前大都是采用单作用压缩机。

3、按制冷剂蒸气在气缸中的运动分类，有直流式和逆流式，如图5-3所示。所谓直流式是指制冷剂蒸气的运动从吸气到排气都沿同一个方向进行，而逆流式，吸气与排气时制冷剂蒸气的运动方向是相反的。从理论分析来看，直流式与逆流式相比，由于蒸气在气缸中温度及比容的变化较少，故直流式性能较好。但是由于直流式压缩机的进汽阀需装在活塞上，这样便相对增加了活塞的长度和重量，因而功的消耗就增加、检修也麻烦，所以目前生产的压缩机大都采用逆流式。

4、按气缸中心线的位置分类，有立式压缩机、卧式压缩机、Ｖ型、Ｗ型和Ｓ型压缩机等。立式压缩机如图5-2a及图5-3所示，卧式压缩机如图5-2b所示，前者气缸中心线呈垂直位置而后者气缸中心线是水平的。Ｖ型、Ｗ型和Ｓ型是高速、多缸、现代型压缩机，其速度一般为960～1440转／分，气缸数目多为２、4、6、8 四种，其中，字母表示气缸的排列形式。

5、活塞式制冷压缩机，根据其结构特征，还可分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。虽然构造各异，但它们之间也有许多共同之处，只是其结构特征不同。 开启式制冷压缩机的结构特征在于：压缩机的动力输入轴伸出机体外，通过联轴器或皮带轮与电动机联结，并在伸出处用轴封装置密封。目前，氨压缩机和容量较大的氟利昂压缩机都采用这种结构形式。

半封闭式制冷压缩机的结构特点是：压缩机与电动机共用一主轴，并共同组装于同一机壳内，但机壳为可拆式，其上开有各种工作孔用盖板密封。

全封闭式制冷压缩机的结构特点在于：压缩机与其驱动电动机共用一个主轴，二者组装在一个焊接成型的密封罩壳中。这种压缩机结构紧凑，密封性好，使用方便，振动小、噪音小，广泛使用在小型自动化制冷和空调装置中。

二、活塞式制冷压缩机的工作原理

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排气三个过程，如图5-4所示。 吸气过程4-1： 活塞由上止点 向下运动时，气缸容积增大压力降 低，当气缸内压力低于吸气管路中 的压力时，在压力差作用下使吸气 阀门打开，制冷剂蒸气便被吸入活 P 3 2 1 4 塞上部的气缸内，当活塞移到下止 a 点位置时停止吸气，吸气阀在弹簧 b0 V 力和阀片本身的重力作用下关闭， 图5—4 理想压缩机的工作过程完成吸气过程。吸气过程一般被看 作是等压过程。 活塞式压缩机的工作是靠气缸、气阀和在气缸中作往复运动的活塞所构成的工作容积不断变化来完成。如果不考虑活塞式压缩机实际工作中的容积损失和能量损失（即理想工作过程），则活塞式压缩机曲轴每旋转一周所完成的工作，可分为吸气、压缩和

压缩过程1-2： 活塞从下止点向上运动，吸、排汽阀处于关闭状态，气体在密闭的气缸中被压缩，由于气缸容积逐渐缩小，则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。压缩过程一般被看作是等熵过程。

排气过程2-3： 活塞继续向上移动，致使气缸内的气体压力大于排气压力，则排气阀开启，气缸内的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道，直至活塞运动到上止点。此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用，排气阀关闭排气结束。

至此，压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。此后，活塞又向下运动，重复上述三个过程，如此周而复始地进行循环。这就是活塞式制冷压缩机的理想工作过程与原理。

三、活塞式制冷压缩机产品型号的表示方法

每一台压缩机的基本型式都用一定的符号表示。这些符号亦称为型号，单级产品型号主要由气缸数目、所用制冷剂的种类、气缸布置形式与气缸直径四个方面的内容组成，如下表所示。

表5—1 压 缩 机 型 号 举 例 压缩机型号 8AS—12.5 6AW—17 4FV—10B 3FW5(B） S8—12.5 汽 缸 数 工质种类 8 6 4 3 8 氨（A） 氨（A） 氟利昂(F) 氟利昂(F) 汽缸布置形式 汽缸直径(cm) 备 注 S型 W型 V型 W型 12.5 17 10 5 12.5 直接传动 直接传动 皮带传动 半封闭式 单机双级 四、活塞式制冷压缩机的基本构造 活塞式制冷压缩机主要由机体、曲轴、连杆、活塞组、阀门、轴封、油泵、能量调节装置、油循环系统等部件组成。

１、机体：包括汽缸体和曲轴箱两部分，一般采用高强度灰铸铁（HT20-40）铸成一个整体。它是支承汽缸套、曲轴连杆机构及其它所有零部件重量并保证各零部件之间具有正确的相对位置的本体。汽缸采用汽缸套结构，安装在汽缸体上的缸套座孔中，便于当汽缸套磨损时维修或更换。因而结构简单，检修方便。

2、曲轴：曲轴是活塞式制冷压缩机的主要部件之一，传递着压缩机的全部功率。其主要作用是将电动机的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动。曲轴在运动时，承受拉、压、剪切、弯曲和扭转的交变复合负载，工作条件恶劣，要求具有足够的强度和刚度以及主轴颈与曲轴销的耐磨性。故曲轴一般采用40、45或50号优质碳素钢锻造，但现在已广泛采用球墨铸铁（如QT50-1.5与QT60-2等）铸造。

３、连杆：连杆是曲轴与活塞间的连接件，它将曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动，并把动力传递给活塞对汽体做功。连杆包括连杆体、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓。

连杆体在工作时承受拉、压交变载荷，故一般用优质中碳钢锻造或用球墨铸铁（如QT40-10）铸造，杆身多采用工字形截面且中间钻一长孔作为油道。

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连杆小头通过活塞销与活塞相连，销孔中加衬套以提高耐磨、耐冲击能力。连杆小头衬套常用锡磷青铜ZQSn10-1做成整体筒状，外圆面车有环槽并钻有油孔，内表面开有轴向油槽。

连杆大头与曲轴连接。连杆大头一般做成剖分式，以便于装拆和检修。为了改善连杆大头与曲柄销之间的磨损状况，大头孔内一般均装有轴承合金轴瓦即连杆大头轴瓦。连杆大头轴瓦分薄壁和厚壁两种，系列制冷压缩机都采用薄壁轴瓦。轴瓦的上瓦与连杆油孔相应的地方也开有油孔。

连杆螺栓用于连接剖分式连杆大头与大头盖。连杆螺栓是曲柄连杆机构中受力严重的零件，它不仅受反复的拉伸且受振动和冲击作用，很容易松脱和断裂，以致引起严重事故。所以对连杆螺栓的设计、加工、装配均有严格要求。连杆螺栓常用40Cr、45Cr钢等制造，且采用细牙螺纹，其安装时要求有一定的预紧力，以免在载荷变化时连杆大头上下瓦和曲柄销之间松动敲击，加速机器零件的损坏。但预紧力过大也是不利的。所以在上紧连杆螺栓时，最好用扭力扳手按说明书规定施力，若无规定可参照P121表中数值或以下式计算施力。 当８≤ｄ≤１８时，连杆螺栓上紧力：

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Ｆ＝977.2-397.613ｄ+63.2ｄ-4.91042ｄ＋0.1875ｄ-0.0028125ｄ

４、活塞组：活塞组是活塞、活塞销及活塞环的总称。活塞组在连杆带动下，在汽缸内作往复直线运动，从而与汽缸等共同组成一个可变的工作容积，以实现吸气、压缩、排气等过程。

活塞---活塞可分为筒形和盘形两大类。我国系列制冷压缩机的活塞均采用筒形结构，它由顶部、环部和裙部三部分组成。活塞顶部组成封闭汽缸的工作面。活塞环部的外圆上开有安装活塞环的环槽，环槽的深度略大于活塞环的径向厚度，使活塞环有一定的活动余地。活塞裙部在汽缸中起导向作用并承受侧压力。

活塞的材料一般为铝合金或铸铁。灰铸铁活塞过去在制冷压缩机中应用较广，但由于铸铁活塞的质量大且导热性能差，因此，近年来系列制冷压缩机的活塞都采用铝合金活塞。铝合金活塞的优点是质量轻、导热性能好，表面经阳极处理后具有良好的耐磨性。但铝合金活塞比铸铁活塞的机械强度低、耐磨性差也差。

活塞销---活塞销是用来连接活塞和连杆小头的零件，在工作时承受复杂的交变载荷。活塞销的损坏将会造成严重的事故，故要求其有足够的强度、耐磨性和抗疲劳、抗冲击的性能。因此，活塞销通常用20号钢、20Cr钢或45号钢制造。

(a)斜面式油环 (b)槽式油环 图5-5 油环的布油及刮油作用 活塞环---活塞环包括汽环和油环。汽环的主要作用是使活塞和汽缸壁之间形成密封，防止被压缩蒸气从活塞和汽缸壁之间的间隙中泄漏。为了减少压缩汽体从环的锁口泄漏，多道汽环安装时锁口应相互错开。油环的作用是布油和刮去汽缸壁上多余的润滑油。汽环可装一至三道，油环通常只装一道且装在汽环的下面，常见的油环断面形状有斜面式和槽式两种，斜面式油环安装时斜面应向上。汽环的密封作用和油环的布油及刮油作用可用图5-5来说明。

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图5—6汽阀 图5—7 轴封 ５、汽阀与轴封：汽阀是压缩机的一个重要部件，属于易损件。它的质量及工作的好坏直接影响压缩机的输汽量、功率损耗和运转的可靠性。汽阀包括吸气阀和排气阀，活塞每上下往复运动一次，吸、排气阀各启闭一次，从而控制压缩机并使其完成吸气、压缩、排气等四个工作过程。由于阀门启闭工作频繁且对压缩机的性能影响很大，因此汽阀需满足如下要求：气体流过阀门时的流动阻力要小，要有足够的通道截面，通道表面应光滑，启闭及时、关闭严密，坚韧、耐磨，工作可靠。

轴封---轴封的作用在于防止制冷剂蒸汽沿曲轴伸出端向外泄漏，或者是当曲轴箱内压力低于大气压时，防止外界空气漏入。因此，轴封应具有良好的密封性和安全可靠性、且结构简单、装拆方便、并具有一定的使用寿命。

轴封装置主要有机械式和填料式两种。目前常用的机械式轴封主要有摩擦环式和波纹管式。其中，国产系列活塞式制冷压缩机大都采用摩擦环式轴封，这种轴封由活动环(摩擦环）、固定环、弹簧及弹簧座、压圈和两个“０”形耐油橡胶圈所组成，如图5—7所示。活动环槽内嵌一橡胶密封圈并与活动环一同套装在轴上，在弹簧力和压圈的作用下，活动环与橡胶圈一同被压紧在轴上且使活动环紧贴在固定环上。工作时弹簧座与弹簧、轴上橡胶密封圈及活动环随同曲轴一起转动，固定环及其上的橡胶圈则固定不动。故工作时活动环和固定环作相对运动，紧贴的摩擦面起防止制冷剂往外泄漏的密封作用，轴上橡胶圈用来密封轴与活动环之间的间隙，固定环上的耐油橡胶密封圈起防止轴封室内润滑油外泄的作用。

６、能量调节装置：在制冷系统中，随着冷间热负荷的变化，其耗冷量亦有变化，因此压缩机的制冷量亦应作必要的调整。压缩机制冷量的调节是由能量调节装置来实现的，所谓压缩机的能量调节装置实际上就是排气量调节装置。它的作用有二，一是实现压缩机的空载启动或在较小负荷状态下启动，二是调节压缩机的制冷量。压缩机排气量的调节方法有：１°顶开部分汽缸的吸气阀片；２°改变压缩机的转速；３°用旁通阀使部分缸的排气旁通回吸气腔，这种方法用于顺流式压缩机；４°改变附加余隙容积的大小。顶开汽缸吸气阀片的调

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图5—8 卸载机构构造原理

节方法是一种广泛应用的调节方法，国产系列活塞式制冷压缩机，均采用顶开部分汽缸吸气阀片的输气量调节装置，如图5—8所示。

顶开部分汽缸吸气阀片的输气量调节装置的原理很简单，即用顶杆将部分汽缸的吸气阀片顶起，使之常开，使活塞在压缩过程中，压力不能升高，吸入蒸汽又通过吸气阀排回吸气侧，故该汽缸无排气量，从而达到调节输气量的目的即能量调节。

顶开吸气阀片能量调节装置可分为执行机构、传动机构和油分配机构三部分，主要由油分配阀、油缸、油活塞、拉杆、转动环、顶杆和弹簧等部件组成。拉杆上有两个凸圆，分别嵌在两个汽缸套外部的转动环中。若不向油缸中供油，由于油活塞左侧弹簧的作用，油活塞处于油缸的右端位置，汽缸套外部的顶杆都是处在转动环斜槽的最高位置，将吸汽阀片顶开，于是该汽缸卸载(图5—8a)。当压力油经油分配阀向油缸供油时，因油压的作用，克服弹簧力使油活塞及拉杆向左移动，并通过拉杆上的凸圆使转动环转动一定角度，相应地使顶杆在顶杆弹簧作用放下而下滑到斜槽的最低处(图5—8b)，这时吸汽阀片在重力和弹簧力作用下降落在阀座上并可以自由启闭，则该汽缸处于工作状态。

压缩机起动时，由于机器尚未转动，油压为零，因而全部汽缸的吸汽阀片都被顶杆顶开，汽缸不起压缩作用，从而实现了空载启动。

我国系列活塞式制冷压缩机，以两个汽缸为一组，即每一个油活塞和拉杆控制两个汽缸。8AS—12.5型压缩机的油分配阀上标有0、1/4、1/2、和1五个挡位，也就是说可以根据制冷量的需要，使制冷量按0、25％、50％、75％及100％来进行调节。

利用卸载装置来调节压缩机的制冷量，比采用温度控制器和低压继电器来控制压缩机的停、开要好得多。特别是大功率的电动机，停开过于频繁是电源所不允许的。

§5-3 离心式制冷压缩机

一、离心式制冷压缩机的构造与工作原理

1、轴 2、轴封 3、工作轮 4、扩压器 5、蜗壳 6、工作轮叶片 7、扩压器叶片 图5—9 单级离心式制冷压缩机 离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的区别，它不是利用汽缸容积减小的方式来提高汽体的压力，而是依靠动能的变化来提高汽体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动汽体运动或者使汽体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高汽体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。其中根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。如果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果是由几个工作轮串联而组成，就称为多级离心式压缩机。在空调中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、扩压器和蜗壳等所组成，如图5—9所示。

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压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮3(工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体)。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器4(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高。经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。

二、离心式制冷压缩机的特点与特性

离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较，具有下列优点：

(1)单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地面积少，重量较活塞式轻5～8倍。

(2)由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低。

(3)工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能。

(4)能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大。

(5)对制冷剂的适应性差，一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂。

(6)由于适宜采用分子量比较大的制冷剂，故只适用于大制冷量，一般都在25～30万大卡／时以上。如制冷量太少，则要求流量小，流道窄，从而使流动阻力大，效率低。但近年来经过不断改进，用于空调的离心式制量与冷凝温度、蒸发温度的关系。 C2 由物理学可知，回转体的动量矩 C 2r U2 C的变化等于外力矩，则 U 2 ω2 1 ω T=m(C2UR2-C1UR1) β 两边都乘以角速度ω，得 C1 R2 Tω=m(C2UωR2-C1UωR1) R1 也就是说主轴上的外加功率N为： U1 N=m(U2C2U-U1C1U) 上式两边同除以m则得叶轮给予 单位质量制冷剂蒸汽的功即叶轮的理论能量头。 冷压缩机，单机制冷量可以小到10万大卡／时左右。

离心式制冷压缩机的特性是指理论能量头与流量之间变化关系，也可以表示成制冷

W=U2C2U-U1C1U≈U2C2U （因为进口

C1U≈0）

W= 2Vυ1 ctgβ) A2υ2U2 又C2U=U2-C2rctgβ C2r=Vυ1/(A2υ2) 故有 式中：V—叶轮吸入蒸汽的容积流量（m3/s）

υ1υ2 ——分别为叶轮入口和出口处的蒸汽比容（m3/kg） A2、U2—叶轮外缘出口面积(m2)与圆周速度(m/s) β—叶片安装角

由上式可见，理论能量头W与压缩机结构、转速、冷凝温度、蒸发温度及叶轮吸入蒸汽容积流量有关。对于结构一定、转速一定的压缩机来说，U2、A2、β皆为常量，则理论能量头W仅与流量V、蒸发温度、冷凝温度有关。

按照离心式制冷压缩机的特性，宜采用分子量比较大的制冷剂，目前离心式制冷机所用的制冷剂有F—11、F—12、F—22、F—113和F—114等。我国目前在空调用离心式压缩机中应用得最广泛的是F—11和F—12，且通常

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是在蒸发温度不太低和大制冷量的情况下，选用离心式制冷压缩机。此外，在石油化学工业中离心式的制冷压缩机则采用丙烯、乙烯作为制冷剂，只有制冷量特别大的离心式压缩机才用氨作为制冷剂。

三、离心式制冷压缩机的调节

离心式制冷压缩机和其它制冷设备共同构成一个能量供给与消耗的统一系统。制冷机组在运行时，只有当通过压缩机的制冷剂的流量与通过设备的流量相等时，以及压缩机所产生的能量头与制冷设备的阻力相适应时，制冷系统的工况才能保持稳定。但是制冷机的负荷总是随外界条件与用户对冷量的使用情况而变化的，因此为了适应用户对冷负荷变化的需要和安全经济运行，就需要根据外界的变化对制冷机组进行调节，离心式制冷机组制冷量的调节有：1°改变压缩机的转速；2°采用可转动的进口导叶；3°改变冷凝器的进水量；4°进汽节流等几种方式，其中最常用的是转动进口导叶调节和进汽节流两种调节方法。

所谓转动进口导叶调节，就是转动压缩机进口处的导流叶片以使进入到叶轮去的汽体产生旋绕，从而使工作轮加给汽体的动能发生变化来调节制冷量。所谓进汽节流调节，就是在压缩机前的进汽管道上安装一个调节阀，如要改变压缩机的工况时，就调节阀门的大小，通过节流使压缩机进口的压力降低，从而实现调节制冷量。离心式压缩机制冷量的调节最经济有效的方法就是改变进口导叶角度，以改变蒸汽进入叶轮的速度方向(C1U)和流量V。但流量V必须控制在稳定工作范围内，以免效率下降。

§5-4 螺杆式制冷压缩机

螺杆式制冷压缩机和活塞式制冷压缩机在汽体压缩方式上相同，都属于容积型压缩机，也就是说它们都是靠容积的变化而使气体压缩的。不同点是这两种压缩机实现工作容积变化的方式不同。螺杆式制冷压缩机是利用置于机体内的两个具有螺旋状齿槽的螺杆相啮合旋转及其与机体内壁和吸、排气端座内壁的配合，造成齿间容积的变化，从而完成气体的吸入、压缩及排出过程。

螺杆式压缩机可分为无油式和喷油式两种。无油螺杆压缩机本世纪30年代问世时主要用于压缩空气，50年代才用于制冷装置中。60年代出现了气缸内喷油的螺杆式制冷压缩机，性能得到提高。近年来，随着齿形和其他结构的不断改进，性能又有了很大提高。再加上螺杆式压缩机无余隙容积，效率高，无吸、排气阀装置等易损件。因此，目前螺杆式制冷压缩机已成为一种先进的制冷压缩机，特别是喷油式螺杆压缩机已是制冷压缩机中主要机种之一，得到了广泛的应用。

螺杆式压缩机是一种高速回转的容积式压缩机，通过工作容积缩小进行气体压缩，除了两个高速回转的螺杆转子外，没有其它运动部件，具有回转式压缩机（如离心式压缩机）和往复式压缩机（如活塞式压缩机）各自的优点，如体积小、重量轻、运转平稳、易损件少、效率高、单级压比大、能量无级调节等，在压缩机行业得到迅速发展及应用。由于螺杆制冷压缩机单级有较大的压缩比及宽广的容量范围，故适用于高、中、低温各种工况，特别在低温工况及变工况情况下仍有较高的效率，这一优点是其它机型（如吸收式、离心式等）不具备的。因此，螺杆式制冷压缩机被广泛用于空调、冷冻、化工、水利等各个工业领域，是制冷领域特别是工业制冷领域的最佳机型。

由于螺杆制冷压缩机属于容积式压缩机，适用于NH3（氨）、R22（氟利昂22）等各种制冷工质，不需要对机器结构作任何改变，所以一般认为螺杆式制冷压缩机不存在困扰制冷界的CFCS工质替代问题。

我国的螺杆式压缩机最早由合肥通用所组织国内有关厂家共同开发研制，于1974年下达联合设计任务书，4～5个行业厂家同时研制，最后只有武冷厂一家在研制，1978年，武冷厂成功地运行了国产第一台螺杆式压缩机KA20C（现型号LG20A），并于1979年率先通过部级鉴定，八十年代初投入批量生产，开始了我国螺杆式压缩机的生产。

一、螺杆式制冷压缩机的总体构造与工件原理

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吸气 4 (a)螺杆式制冷压缩机结构简图 (b) 螺杆式制冷压缩机结构立体图 1．吸汽端座 2．机体 3．螺杆 4．排气端座 5．能量调节阀 图5—10 螺杆式制冷压缩机 螺杆式制冷压缩机主要由机壳、转子、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等组成，如图5—10所示。 下面介绍我国具有代表性的螺杆式制冷压缩机，以武汉新世界制冷工业有限公司产品为例。 1、螺杆Ⅰ型制冷压缩机

螺杆I型压缩机垂直剖面图

1.能量指示 2.滑阀 3.联轴器 4.阳转子

5.机体 6.平衡活塞 7.阴转子

螺杆Ⅰ型系列制冷压缩机是我国最早开发并广泛使用的第一代螺杆式制冷压缩机，具有八十年代螺杆式制冷压缩机的典型结构，一对转子装入由吸气端座、机体、排气端座组成的机壳中，通过特殊的吸排气通道和转子的啮合回转而完成吸气、压缩、排气三个过程，转子下部的滑阀装置除完成能量调节功能外，还保证压缩机空载起动。

主轴承采用滑动轴承，装在吸、排气端座上，必须用一个较大的油泵进行强制而充分地润滑，同时，也对转子主轴颈表面硬度提出了较高的要求。

内容积比可调节机构属于武新制冷公司国际首创，它克服了内外压力不等时的等容压缩或等容膨胀损失功，可使压缩机运行在最省功状态，它最先应用在LG20和LG16螺杆式制冷压缩机上。

LG12.5和LG25螺杆式制冷压缩机是固定排气口，内容积比不能调节，为适应不同工况（不同压力比）而配备了３种不同的内容积比滑阀，供用户订货时选用一种，当外压比变化时内压力不能同步变化而增加了压缩机的功耗。

螺杆I型压缩机水平剖面图

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目前、国内的开启式用于制冷螺杆压缩机生产厂家主要有3家：武冷、大冷、烟冷，大冷、烟冷供应市场仍为Ⅰ型压缩机，武冷已基本不生产Ⅰ型压缩机。

2、 螺杆III(II)型制冷压缩机

螺杆III(II)型压缩机垂直剖面图

螺杆III(II)型压缩机水平剖面图

1. 油活塞 2. 吸气过滤网 3. 滑阀 4. 联轴器 5. 阳转子

6. 机体7. 平衡活塞 8. 能量测定装置 9. 阴转子

螺杆II型制冷压缩机是武新制冷公司瞄准国外先进水平在1994年开始研制开发、1996年全部完成系列化的第二代开启式螺杆制冷压缩机，严格地说，II型制冷压缩机是一个过渡产品，主要针对Ⅰ型压缩机上的很多缺陷作了重大改进而没有改变螺杆的核心－型线，主要原因是武新制冷公司想走一个比较稳健的产品开发之路。

螺杆II型制冷压缩机在结构上采用了多项先进技术：

轴向定位及径向支撑全部采用高质量进口滚动轴承，转子精确定位，轴颈无磨损，额定寿命40000h。由于轴承精确定位使得转子装配间隙减小，实测其容积效率高于I型机，相同工况下的制冷量比螺杆I型压缩机高出2～3%；

采用最新结构的机械密封，密封压力可达2.5MPa，确保使用寿命；

润滑系统在机器运转时由高低压压差供油，一个小油泵仅在开机前提供预润滑油，油泵故障率极低； 能量调节滑阀及内容积比调节机构均由微机自动控制，保证压缩机在高、中、低温各种工况下均运行在效率最高点，运行更经济，便于实现自动化控制。内容积比可调在国外已普遍被采用，在国内仅我公司采用此项新技术；

吸气过滤器布置在机体内，吸排气截止阀和吸排气止逆阀合二为一，成为最新结构的止回式截止阀。这一切使机器的结构更紧凑，外形更美观。

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上述新技术使整个压缩机的技术水平得到了提升，使武新制冷公司的产品迈上了一个新台阶。为了快速赶上国外先进水平，武新制冷公司在Ⅱ型压缩机已全面推向市场并已被市场接受的情况下，于1997年开始研制Ⅲ型螺杆式压缩机，Ⅲ型螺杆式压缩机是在Ⅱ型压缩机的基础上着重改变了两项内容，第一它采用了武新制冷公司与西安交通大学合作开发的具有国际先进水平的第三代螺杆转子型线，使压缩机的效率提高了5～8%；第二LG20Ⅱ、LG25它改变了传统的转子长径比设计，开发了短导程及特长导程压缩机，由Ⅱ型压缩机只有LG16Ⅱ、Ⅱ三种变为Ⅲ型压缩机有LG16ⅢD、LG16Ⅲ、LG20ⅢD、LG20Ⅲ、LG20ⅢT、LG25ⅢD、LG25Ⅲ、LG25ⅢT、

LG31.5Ⅲ、LG31.5ⅢT十种，可以方便客户选型。

还值得一提的是，武新制冷公司在螺杆III型压缩机的研制、开发过程中，全部采用专用软件进行各种型线参数、热力性能计算、动力分析、几何特性计算、受力计算、工作过程模拟、刀具刃形计算，使压缩机的设计、开发能力与水平也同时达到了世界先进水平。

机壳：—般为剖分式，由机体、吸气端座及排气端座等三部分用螺栓连接组成。机体内腔横断面为双圆相

交的横8字形，与置于其内的两个啮合转子的外圆柱面相适合。

转子：一对互相啮合的螺杆，其上具有特殊的螺旋齿形。其中凸齿形的称为阳转子，凹齿形的称为阴转子。阳转子与阴转子的齿数比，一般为4:6(大流量的压缩机齿数比可为3:4，当压缩比高达20时，齿数比可采用6:8)目前也有很多采用5:6、5:7齿数比。多数情况下，阳转子与电动机直接连接，称为主动转子，阴转子为从动转子，故阳转子多为四头右旋，阴转子多为六头左旋。为了使螺杆式制冷压缩机系列化，零件标准化和通用化，我国确定的螺杆的公称直径系列有为100、125、160、200、250、315、355、510mm等8种，其长径比分别有λ＝1.14、1.5、1.65、1.94几种，武新制冷公司产品将λ＝1.14称为短导程、λ＝1.5称为正常导程（因我国的国标型线导程为1.5）、λ＝1.94称为特长导程。

几种型线的介绍：

JB2780齿形：单边不对称圆弧摆线齿形是我国标准齿形，它具有泄漏三角形极小的特点，属于国际第二代齿形。

JB2780齿形

XBY齿形：新型单边不对称圆弧齿形是我公司首创高效专利齿形，它具有：ａ.齿形光滑无尖点棱角，气流扰动损失小；ｂ.接触线缩短，泄漏损失小；ｃ.两转子在整个接触线上均存在速度差，密封效果好；ｄ.采用5：6的齿数比，使得传速比增大，阴阳转子转速差缩小，基元容积之间的压力差减小，因而泄漏减少等优于其它转子齿形的独特优点，属于国际第三代齿形。

XBY齿形

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WL-C型线：WL-C型线是武冷与西安交通大学合作开发的新一代型线，已全面应用于武冷第三代螺杆压缩机中，它具有以下优点：

a. 组成齿曲线均为圆弧或圆弧包络线，接触线短，啮合平稳，密封性好，效率高；

b. 各组成齿曲线间光滑连接，型线上无尖点，便于

加工和检测，流线性好，噪声低；

c. 节圆处点啮合,整个啮合线均可形成油膜； d. 采用双边不对称型线设计方案，阴阳转子直径调整方便，转子间力矩分配合理，振动小；

e. 齿高半径和齿顶高合理，面积利用系数大，输汽量和制冷量提高；

f. 阴阳转子直径相差不大，转子刚度接近，承载能力高，可用于压差和压比较大的工况。

WL-C型线

轴承与轴封：螺杆式Ⅰ型制冷压缩机的阴、阳转子均由滑动轴承(主轴承)和向心推力球轴承支承。主轴承用柱销正确安装固定在吸、排气端座内，止推轴承在排气侧阳、阴转子上各装有两只，以承受一定的轴内力。Ⅲ（Ⅱ）制冷压缩机全部采用进口的滚动轴承，他采用了四个圆柱滚动轴承代替了Ⅰ型制冷压缩机的滑动轴承，采用四点角接触球轴承代替向心推力球轴承。螺杆式制冷压缩机的轴封也多采用弹簧式或波纹管式机械密封，安装在主动转子靠联轴器——端轴上。一般承压为2.5MPa，国内轴封生产厂家最好的有两家，一家为英国克兰公司在天津独资企业，另一家为民营的丹东克隆公司，武新制冷公司产品均采用上述两家生产的轴封，可以保证压缩机的长期运行。

平衡活塞：由了结构上的差异，因吸、排气侧之间的压力差所引起的，作用在阳转子上的轴向合力，比作用在阴转子上的轴向合力大得多。因此，阳转子上除装设止推轴承外，还增设油压平衡活塞，以减轻阳转子对滑动轴承端面的负荷，减轻止推轴承所承受的轴向力。

能量调节装置：由滑阀、油缸、油活塞、四通换向阀及油管路等组成。活塞装在气缸壁下部两圆交汇处，改变滑阀的位置，即可起调节制冷量的作用。

螺杆式制冷压缩机工作时，齿间基元容积作周期性变化，从而使汽体沿转子轴向移动过程中完成吸汽，压缩和排气过程，其具体工作过程如下：

Φ

图5—12 工作容积、气体压力与阳转子转角的关系

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a、吸气过程

b、压缩过程

c、排气过程

图5—11 转子的工作过程 螺杆式制冷压缩机压缩原理：

螺杆式制冷压缩属于容积式制冷压缩机，它利用一对相互啮合的阴阳转子在机体内作回转运动，周期性地改变转子每对齿槽间的容积来完成吸气、压缩、排气过程。 1、吸气过程

当转子转动时，齿槽容积随转子旋转而逐渐扩大，并和吸入口相连通，由蒸发系统来的气体通过孔口进入齿槽容积进行气体的吸入过程。在转子旋转到一定角度以后，齿间容积越过吸入孔口位置与吸入孔口断开，吸入过程结束。 2、压缩过程

当转子继续转动时，被机体、吸气端座和排气端座所封闭的齿槽内的气体，由于阴、阳转子的相互啮合和齿的相互填塞而被压向排气端，同时压力逐步升高进行压缩过程。 3、排气过程

当转子转动到使齿槽空间与排气端座上的排气孔口相通时，气体被压出并自排气法兰口排出，完成排气过程。

由于每一齿槽空间里的工作循环都要出现以上三个过程，在压缩机高速运转时，几对齿槽的工作容积重复进行吸气、压缩和排气循环，从而使压缩机的输气连续、平稳。

二、螺杆式制冷压缩机的能量调节及内压比调节

螺杆式制冷压缩机的能量调节及内压比调节有多种方法，但目前应用得最广泛的是滑阀调节，因为它能使螺杆式制冷压缩机的制冷量在10％～100％之间无级调节。滑阀调节的基本原理是通过滑阀的移动改变转子的有效工作长度(即改变压缩机阴、阳转子齿间工件容积)，以达到能量调节的目的。滑阀装在气缸壁下部两圆交汇处，与两转子外圆柱面紧密配合。 （一）内容积比调节

螺杆式制冷压缩机属于容积式压缩机，具有内压缩这一特性，有一定内压比，而压缩机的工作范围又极其广泛，其工作压力比（冷凝压力/蒸发压力）即外压力比随工况而定，这就要求螺杆制冷机的内压力比随之变化，使螺杆式制冷机的内压力比接近或等于外压比，使机器的耗功最小，运转最经济，否则将形成一个等容压缩或等容膨胀过程，使压缩机耗功增加。当内压力与外压力的差值愈大，多消耗的功也愈大。因此，为了使机器能长期经济运转，必须调节机器的内容积比，使内压力比接近或等于外压力比。外压比的计算公式为：

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冷凝压力 排气压力（表压）＋0.1

外压力比＝ = 蒸发压力 吸气压力（表压）＋0.1

内容积比的调节机构主要由电磁(或手动)换向阀、内容积比滑阀组成，如图所示，内容积比的测定机构主要由位移传递杆和直线电位器组成，图中L1为滑阀排气口的大小，它的大小即决定了机器的内容积比的大小。当控制盘上发出增大内容积比的信号时，换向阀中孔口P和孔口A连通，从油滤器来的高压油先后通过换向阀的P、A孔口后经SC－3孔口进入内容积比活塞左边的油缸内，该活塞右边的油从SC－4孔口流出后经换向阀的B、T孔口后流向回油管回到压缩机中，则内容积比活塞在前后压差的作用下带动内容积比滑阀向右移动，排气口L1逐渐减少。反之，当减少内容积比时，换向阀中孔口P和孔口B连通、T和A连通，从油滤器来的高压油先后通过换向阀的P、B孔口后经SC－4孔口进入内容积比活塞右边的油缸内，该活塞左边的油从SC－3孔口流出后经换向阀的A、T孔口后流向回油管回到压缩机中，内容积比活塞在前后压差的作用下带动内容积比滑阀向左移动,排气口L1逐渐增大。滑阀的位置由位移传递杆传感到电位器,电位器上测出的电阻值经处理后转换为内容比的数值显示出来，当活塞到达油缸的最右端时，排气口最小，内容积比为最大值5，当该滑阀到达左止点时，内容积比为最小值2.5。内容积比可在2.5～5范围内实现无级调节。 （二）能量调节

能量调节机构主要由电磁(或手动)换向阀，能量调节油活塞和能量调节滑阀组成。能量的测定机构主要由螺旋杆和旋转电位器组成，如图所示。增载时，从油滤器来的高压油先后通过换向阀的P、A孔口后经SC－2孔口进入能量活塞右边的油缸内，该活塞左边的油从SC－1孔口流向压缩机回油孔口，则能量活塞带动能量滑阀向左移动，当滑阀靠紧可调滑阀时，压缩机为全负荷，控制盘上能量显示为100％，此时工作腔有效长度为转子全长L3。反之，当减载时，滑阀同理向右移动，工作腔的气体从滑阀与内容积比滑阀之间的空腔回流到吸入端，工作腔有效长度为L2，设备即在部分负荷下运转，滑阀右移到右止点时，则L2达到最小值，此时设备能量最小，为全负荷的15％，故压缩机的制冷量可在15～100％之间无级调节，能量滑阀所在位置经螺旋杆传递到旋转电位器，经处理后转换为能量百分数显示出来。

注意：能量滑阀的移动范围与内容积比滑阀的位置有关。当内容积比调到最小时，能量滑阀的移动范围最大，这种情况下当能量滑阀靠紧可调滑阀即压缩机全负荷时，控制盘上显示的能量百分数为100%。当内容积比调到最大值时，能量滑阀的移动范围最小，这种情况下当压缩机全负荷时控制盘上显示的相对能量百分数将低于100%，但此时压缩机的实际能量为100%（即绝对能量百分数）。对手动机型，控制盘上只显示相对百分数。

29 三、 开启式螺杆制冷压缩机技术参数 ● 螺杆I型、II型制冷压缩机技术参数

型号转子直径转子长度阳转子转速理论排量能量调节范围内容积比噪声振动进气管直径排气管直径dB(A)μmmmmmmmmmr/minm/h3LG10ALG12.5ALG12 .5-1ALG16ALG10F1001502960133 ≤80≤10DN50DN45264LG16IIALG20ALG20FLG20IIALG20IIF200300LG25ALG25FLG25IIALG31.5-1ALG25IIFLG31.5-1F2503153755304620LG35.5ALG35.5FLG12.5FLG12 .5-1FLG16FLG16IIF125160190440039655224035758972402.6～5.02960106815％～100％无级调节21102.6/3.6/5≤83≤85DN80DN65手动调节自动调节手动调节自动调节2.6/3.6/5自动调节2.6/3.6/5≤88≤20DN100DN80≤85≤90≤88≤98≤95≤25DN200DN150≤102DN300DN250DN150DN100≤105≤35DN350DN250

● 螺杆III型制冷压缩机技术参数

型号转子直径转子长度阳转子转速理论排量能量调节范围内容积比噪声振动进气管直径排气管直径dB(A)μmmmmmDN100DN80≤85≤20DN125DN150DN100DN150≤88mmmmr/minm/h3LG16IIIDALG16IIIALG20IIIDALG20IIIALG20IIITALG25IIIDALG25IIIALG25IIITALG31.5IIIALG31.5IIITALG16IIIDFLG16IIIFLG20IIIDFLG20IIIFLG20IIITFLG25IIIDFLG25IIIFLG25IIITFLG31.5IIIFLG31.5IIITF1601824362405742288522003001120375140028529601663250375218948528313154604150315625567015％～100％无级调节2.6～5.0≤95≤25DN200DN150DN225≤102≤30≤102≤30DN300DN225 四、螺杆III(II)型制冷压缩机性能曲线

LG16III(II)F

其他机型的性能曲线可参照选型手册或样本。

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LG16III(II)A

第六章螺杆式制冷压缩机组

螺杆式制冷压缩机是一种高速回转机械，在运行中通过向压缩机转子工作腔喷入大量的润滑油，来达到润滑、密封、提高压缩机工作效率、降低排气温度和噪声等目的。因而它配有一套高效的油路系统。

螺杆式制冷压缩机组由螺杆式压缩机、电动机、联轴器、气路系统（包括吸气止回式截止阀和吸气过滤器）、油路系统（包括油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵、油压调节阀和油分配管路）、控制系统（包括操作仪表箱、控制器箱、电控柜等）和设备、系统间的连接管路等组成。

用户按各自需要配备冷凝器、蒸发器等设备，就可组成一个完整的制冷系统，满足各种不同温度的工艺需要。

为满足用户的需要，武新制冷公司能生产各种型式的螺杆式制冷压缩机组：螺杆式制冷压缩机组(标准型)、加大油冷型螺杆式制冷压缩机组、热虹吸油冷型螺杆式制冷压缩机组、防爆螺杆式制冷压缩机组、经济器螺杆式制冷压缩机组等。

本文着重介绍武新制冷公司Ⅲ(Ⅱ)螺杆式制冷压缩机组： ● 压缩机组使用条件

蒸发温度：+5℃～-40℃； 冷凝温度：不大于40℃； 油 温：不大于65℃。

? 典型的喷油螺杆式单级制冷压缩机组系统流程图

直角止回截止阀排气温度：不大于105℃；

电磁换向阀图 例气 路直角止回截止阀安全阀控制管路油 路温度传感器安全阀油 分 离 器电磁换向阀压力表压力变送器电磁换向阀座压力传感器座截止管道阀加油阀止回式截止管道阀油粗过滤器放油阀截止管道阀止回式截止阀油 冷 却 器单向阀截止管道阀止回式截止管道阀油泵截止管道阀

● 螺杆式制冷压缩机组型号表示方法

W-FHJLLG25IIITBA560配用电机功率：数字表示，单位为kW制冷剂种类：A—氨，F—氟利昂 B高低压级机组:B－低压级;高压级不表示转子导程：D－短导程，T－特长导程，长导程不表示压缩机类型：III、II－表示III、II型压缩机，I型不表示转子名义直径：用数字表示，单位为cm型式：LG—螺杆式制冷压缩机 JLG—带经济器补气口螺杆式制冷压缩机 JLLG—带经济器补气口及经济器换热器螺杆式制冷压缩机 PLG—喷液螺杆式制冷压缩机 JPLG—带经济器补气口喷液螺杆式制冷压缩机机组类型(2)：D—加大油冷、H—热虹吸油冷，标准型不表示机组类型(1)：F—防爆型，非防爆不表示控制方式： W—微机控制，非微机控制不表示

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● 压缩机组的油分离系统

由于螺杆式制冷压缩机工作时喷入大量的润滑油与制冷剂蒸汽一起排出，所以在压缩机与冷凝器之间设置了高效的卧式油分离器。油分离器的作用是分离压缩机排气中携带的润滑油，使进入冷凝器的制冷剂纯净，避免润滑油进入冷凝器而降低冷凝器的效率。油分离器还有贮油器的功能。目前机组主要采用卧式油分离器，从压缩机排出的高压气体，通过排气管进入油分离器，降低流速，改变方向，向油分的另一端排去。在这个过程中，大量的润滑油因为惯性及重力的作用沉降到油分底部，剩余的含有微量冷冻机油的气体再通过油分滤芯，此微量冷冻机油被最后分离，通过油分离器底部的回油阀回到压缩机中，以确保挡油板之后的筒体底部尽量少存油。靠近油分离器出口的过滤芯采用的是高分子复合材料，油分离效果可达10ppm，当分油效果不够理想时可更换。

油分离器 ● 压缩机组的润滑油系统 （一）作用 机组中的润滑油主要起下列作用： 1、喷入压缩机转子工作容积中起润滑、冷却、密封、降噪、减震的作用。 2、提供轴承及轴封的润滑。 3、提供能量及内容积比调节机构所需的压力油。 4、向平衡活塞供油。 （二）供油方式 1、预润滑

在压缩机的启动初期，压缩机各个润滑点、内容积比调节滑阀以及能量滑阀的减载所需要的压力油靠预润滑油泵供给，压缩机运行正常后预润滑油泵的运行与否决定于排气压力与吸气压力的压差，压差达到0.45MPa,油泵停止运行，压差低于0.35MPa时，油泵投入运行。 2、压差供油

压缩机启动完毕，正常运行时的供油靠排气压力与吸气压力的压差保证。油分离器中分离出的油在高压作用下，流向油冷却器，然后经滤油器，油分配座流向压缩机内，最终随工质一起被排至油分离器内。

● 压缩机组的油冷却方式

从压缩机排出的高温、高压油气混合物中分离出来的润滑油温度较高，不能直接喷入压缩机中，需经油冷却器冷却达到压缩机所需的粘度和温度后才可重复使用。油冷却的方式一般有以下几种： （一）水冷油冷却器

水冷油冷却器是一种卧式壳管式热交换器，油在管外，水在管内。管束固定于两端管板上，油冷却器筒体内有折流板，可以改善油和冷却水的热交换。

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由于水中杂质会在冷却器水管内结垢而降低传热系数，因此必须定期进行检查和清洗。冬季机组不运行时，请注意拧开水盖上的放水塞，将油冷却器内的水放掉，以防结冰损坏设备。 油冷却器冷却水进水温度应小于32℃，机组油温控制在40～65℃。

水冷油冷却器

（二）热虹吸油冷却器

热虹吸油冷却器的结构同水冷油冷却器的原理类似，为卧式壳管式，油在管外，制冷剂在管内。经冷凝器冷凝后流出的制冷剂液体流入热虹吸贮液器后分流出一路液体进入热虹吸油冷却器，沿途吸收管外高温油的热而蒸发。制冷剂在蒸发过程中密度逐渐减小，油冷回气管中的气液混合物的密度低于油冷却器供液管中液体的密度，这种不平衡产生了一个压力差使制冷剂在油冷却器中流动。热虹吸系统安装时，注意热虹吸贮液器的位置应尽量靠近机组，而且热虹吸贮液器中的液面应高于油冷却器中心线1.5～2m以克服管路中的压力损失。 经热虹吸油冷却器冷却后的油温度一般比冷凝温度高10～20℃。

（三）喷液冷却

带喷液冷却的机组中，有一路由本机组或系统中的冷凝器或贮液器引出的高压制冷剂液体，经过过滤器、节流阀或高温膨胀阀后喷入压缩机某中间孔口（如下图所示），起吸收压缩热并冷却油温的作用。高温膨胀阀的开启度取决定于排气温度，当排气温度偏高（高于55℃）时，膨胀阀开启度增大；当排气温度偏低（低于50℃）时，膨胀阀开启度减小。压缩机上开有两个喷液孔口?高位喷液口和低位喷液口，当压缩机在内容积比低于或等于3.0时运行，制冷剂液体从低位喷液口喷入，当内容积比高于3.0时，则从高位喷液口喷入。 带喷液装置的机组中省却了油冷却器，使机组外形简洁，体积更小。

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电磁阀高温膨胀阀过滤器单向阀 ● 经济器 （一）原理及结构 配经济器的系统中，从冷凝器或贮液器出来的液体，并不直接送节流阀节流，而是首先进入经济器冷却器中进一步冷却，出来后的液体工质的温度可下降数十度，制冷量将得到提高。经济器冷却器中液体的冷却，是依靠经辅助节流阀节流后进入经济器中的中压液体工质，它吸收高压液体工质的热量而蒸发，蒸发出来的中压气体被螺杆压缩机的中间补气口吸走（见流程图）。带经济器的机组特别适合取代双级活塞式机组，在较低蒸发温度下经济运行。

武新制冷公司的经济器冷却器有立式螺旋管式和卧式壳管式两种结构型式，见下图。 （二）JL系列经济器冷却器的安装

JL系列经济器冷却器，可以拼装在某些制冷机组上，成为带有经济器系统的机组整体出厂，但一般单件出厂，用户现场拼装。现场拼装时，JL系列经济器冷却器可以放置在低压循环贮液器附近，也可以放置在螺杆压缩机组或者高压贮液器附近，以接管短为原则，冷却器应固定在高于地面150mm以上的基础上，基础尺寸依底脚而定，底脚与基础之间可以加50～100mm厚木垫。

设备固定后，按JL系列经济器冷却器结构简图安装，注意电磁阀(用户自备)应保持水平，当系统中无主供液电磁阀时，电磁阀应与螺杆机同步启闭，出线接到电控柜相应端子上。当系统中有主供液电磁阀时，只需将电磁阀的出线与主电磁阀并联。在温度计套管1中放入一支0～50?C的温度计，温度计套管2中放入一支?50～50?C的温度计。将经济器冷却器底部的回油阀至回气管之间的回油管接好，并将出液管、进液管、回气管等与系统连通，连通管的最小管径见下表，可以放大，不能缩小。管径与法兰、阀口不符时，作变径处理。

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连通管长度 JL?0.3 JL?0.6 JL??.2 JL?2.5 JL?5.0 JL?10 <10m ?20 ?25 ?32 ?38 ?50 ?70 10～30m ?25 ?32 ?38 ?45 ?65 ?89 >30m ?32 ?38 ?40 ?50 ?80 ?108 经1.6MPa（16Kg/cm2）压力定压检漏后，进行保温，整个筒体、回气管、出液管都需进行保温，保温层厚度50～100mm。 （三）调试 初次开车，先不使用经济器冷却器，关闭螺杆压缩机补气口截止阀和经济器冷却器上的回油阀、回气阀、节流阀和供液阀（见JL系列经济器冷却器结构简图），系统按常规方式运行，这时要检查经济器冷却器上的电磁阀是否与机组同步启闭，用一螺丝刀触及电磁阀线包顶端的螺丝，如有磁力，说明已通电。待吸气压力及排气温度基本稳定后，经济器冷却器可以投入运行，开启螺杆压缩机补气口截止阀和经济器冷却器上的回气阀和供液阀，仔细调节经济器冷却器上的调节阀，使系统运行在最佳状况。先将调节阀开启45?，仔细观察低压、中压、排气温度和出液温度的变化，调节合适时，低压略为升高，蒸发压力（低压）与中间压力、出液温度应大致符合下图中曲线的对应关系，排气温度大体不变或稍有降低，出液温度会迅速下降，从+20～40?C下降到?5～?25?C。 氨经济器冷却器蒸发压力与中间压力关系曲线 氟经济器冷却器蒸发压力与中间压力关系曲线 调节阀调节过小时，中压偏低，出液温度偏高，不符合图中曲线关系，这时应开大调节阀，加大供液量。 35

调节阀开启过大时，中压偏高，出液温度也偏高，不符合图中曲线关系，同时排气温度将会降得很低，甚至油分离器内大量积聚氨液，从视液镜上看到油位升高，这时应关小调节阀，直到排气温度恢复正常。

停车前，先关闭经济器冷却器上的供液阀，以免电磁阀封闭不严，导致停车期间大量氨液进入经济器冷却器壳体内，再次开车时造成螺杆压缩机带液。

注意：当系统运行经济器冷却器不使用时，制冷剂液体流经经济器冷却器时将产生较大阻力损失，这时经济器冷却器主供液进出管上应安装旁通管，在不使用经济器冷却器时开启旁通管上阀门，避免主供液管上阻力损失过大影响系统正常运行。

● 螺杆式制冷压缩机组(R717)配套表

型号配套冷凝器立式卧式立式卧式WZ250ZA1.5LG16IIIDA空调LN200WN150LG16III(II)A空调LN250WN200WZ300ZA1.5LG20IIIDA空调LN350WN300WZ450ZA2.5JY300KF046JX159LG20III(II)A空调LN450WN350WZ500ZA3.5标准LN75WN75WZ110AF500低温LN50WN50WZ50标准LN100WN110LZL135WZ150AF500低温LN50WN50LZL90WZ60标准LN200WN150LZL180WZ250ZA1.5AF600低温LN75WN75LZL90WZ110ZA1.0标准LN250WN200LZL270WZ300ZA1.5AF800低温LN75WN75LZL90WZ110ZA1.0蒸发器LZL90ZA1.0氨贮液器氨液分离器集油器空气分离器紧急泄氨器ZA1.0型号配套冷凝器LG20IIITA空调标准LN310WN250LZL320WZ360ZA2.0ZA4.5LG25IIIDA空调LN350x2LG25III(II)A空调LN450x2WN350x2LG25IIITA空调WN450x2WZ750x2ZA8.0工况低温LN120LZL120WZ150ZA1.5标准LN350WN300LZL360WZ420ZA2.5低温LN150WN110LZL135WZ180ZA2.0标准LN450WN350LZL270x2低温LN200WN150LZL180WZ250ZA2.0标准WN500LZL640WZ750ZA5.0AF1400低温LN250WN200LZL270WZ300ZA2.0立式LN310x2卧式WN250x2立式卧式WZ360x2LN350x2LN310x2WN110WN300x2WZ450x2ZA5.0蒸发器WZ400x3WZ300x2ZA8.0ZA3.5AF1200氨贮液器氨液分离器集油器空气分离器紧急泄氨器AF1000JY500KF096JX159型号配套冷凝器LG31.5IIIA空调标准低温LN450LG31.5-1A空调标准低温LN450WN400WZ450ZA2.5LN400x5LN400x3LG31.5IIITA空调标准低温WN550WZ550ZA3.5LG35.5A空调标准低温WN700WZ750ZA5.0WN700x4WN800x2WZ750x5WZ750x3ZA30.0ZA15.0AF2000JY800工况立式LN450x4LN350x3卧式WN800x2WN450x2立式ZA15.0卧式WZ750x3WZ400x3ZA8.0AF1600LN450x6LN400x4WN700x3WN450x3WZ550x5WZ550x3ZA20.0ZA12.5AF1800LN350x2LN450x7LN450x4LN400x2LZL640x3LZL640WN400WN550x3WN450x2WZ420ZA2.5WZ750x3WZ450x3ZA20.0ZA10.0AF1600JY500蒸发器LZL320x3LZL360LZL360x3LZL135x3LZL360x4LZL270x2氨贮液器氨液分离器集油器空气分离器紧急泄氨器KF096JX159

第七章 热交换设备与节流机构

§7-1 冷凝器

在压缩式制冷系统中，除了起心脏作用的压缩机外，还有为完成制冷循环所必需的冷凝器、蒸发器与节流阀。其中冷凝器和蒸发器就是制冷装置中的主要热交换设备，它们传热效果的好坏会直接影响制冷装置的性能和运转的经济性。因此，正确地选择、操作管理冷凝器和蒸发器对发挥和提高制冷装置的制冷性能、降低运行费用有密切关系。

节流机构在蒸汽压缩式制冷系统中用来实现制冷剂液体的节流膨胀，并起调节蒸发器供液量的作用。设备虽小，但它是制冷系统中四个必不可少的设备之一。

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一、冷凝器的功用及其传热的基本情况

冷凝器是将制冷压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽的热量传递给冷却介质(空气或水)并使之凝结成液体的热交换设备。其工作过程是：来自压缩机的过热制冷剂蒸汽进入冷凝器后先被冷却成饱和蒸汽，继而被冷凝成饱和液体。若冷却介质流量大、温度低时，饱和液体还可进一步被冷却成过冷液体。

2

由传热学可知，在热交换设备中，传热量Q的大小与热交换面积F(m)、对数平均温差Δt(℃)、传热系数

1 1 Δt= Δtmax—Δtmin R 1/α1+Σδ/λ+1/α2 Ln(Δtmax/Δtmin) 2

K(kcal/m·h·℃)的大小等因素有关，即： Q＝KFΔt (kcal/h)

2

式中：R——传热热阻(m·h·℃／kcal)；

2

α1——换热壁内表面对流放热系数(kcal／m·h·℃)；

2

α2——换热壁外表面对流放热系数(kcal／m·h·℃)；

δ——组成热交换壁面的各层厚度(包括油垢、水垢等) (米)；

2

λ——各层壁面材料的导热系数(kcal／m·h·℃)；

Δtmax—最大温差(两流体在进口或出口处较大的温差)，(℃)； Δtmin ——最小温差(两流体在进口或出口处较小的温差)，(℃)．

由此可见，在既定的热交换设备中其热交换面积是一定的，因而要提高传热量Q，除了提高对数平均温差Δt外，其重要途径是如何提高传热系数K。而冷凝器传热系数K的大小则取决于冷凝器的结构、管壁内外两侧(制冷剂侧及冷却介质侧)放热系数α以及传热表面污脏的程度，下面简单地分析一下影响冷凝器的传热系数的因素。

1、影响制冷剂侧蒸汽冷凝放热系数的因素 制冷剂凝结的形式

当制冷剂蒸汽在冷凝器中与低于其饱和温度的壁面相接触时，它就在壁面上凝结为液体。其凝结形式可分为“膜状凝结”和“珠状凝结”两种情况。一般说来，在相同温差下珠状凝结比膜状凝结的放热量要大15～20倍。但制冷剂蒸汽在冷凝器中的凝结一般为膜状凝结。 制冷剂的流速和流向

当制冷剂蒸汽在直立管壁上作膜状凝结时，在冷却表面的最上端，蒸汽直接同壁面接触而冷凝，凝结的液体就沿着冷却表面向下流动，液膜层越向下越厚。这时液膜便把冷却表面同制冷剂蒸汽隔开，蒸汽凝结时所放出的潜热必须通过液膜层传递到壁面。显然冷却表面越高，温差越大，平均放热系数将越小。

如果冷凝液膜的流动方向与汽流方向一致时，可使冷凝液膜能较迅速地流过传热表面。因此，液膜就薄，使放热系数增大。当制冷剂蒸汽的流动方向与冷凝液膜的流动方向相反，而且蒸汽流速较小时，液膜层就厚，放热系数就降低。蒸汽流速增大到一定程度，会把液膜托起使液膜脱开壁面，在这种情况下，放热系数就升高。 传热表面的粗糙度

如果传热表面粗糙不平，则凝结液膜的流动阻力增加，冷凝的液体就不能很快向下 流，从而使液膜层加厚，放热系数相应降低。 冷凝器的构造形式

制冷剂在卧式单根管的外表面冷凝时的放热系数一般大于直立管的放热系数，这是因为具有一定长度的直立管的下部冷凝液膜层的厚度较大。但是，由多根横管排列成管簇时，其平均放热系数就减小，也有可能低于直立管的放热系数。

因此，要提高制冷剂在冷凝时的放热系数，无论任何一种构造的冷凝器，都应保证冷凝液体能从传热表面上迅速的排除。

2、影响冷却水(或空气)侧的放热系数的因素

作为冷却介质的水或空气的流速大小，对其一侧的放热系数有很大的影响。随着冷却介质流速的增加，其放热系数也就增加。但是，冷却介质流速的增大会使冷凝器内的流动阻力随之增加，从而使消耗的机械功也就

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其中 K= = 增加了。冷凝器内冷却介质的最佳流速：冷却水为0.8～1.2米／秒，空气为2～4米／秒。 3、传热表面污脏程度

在冷凝器传热表面上，被润滑油污染程度即使是极其轻微时，也会使冷凝器的传热系数大大降低。例如，厚度为0.1毫米的油垢，其所产生的热阻相当于厚度为33毫米钢板的热阻。在冷凝器传热表面上积有水垢及气冷式冷凝器传热表面上积有灰尘时，都会使冷凝器传热情况恶化。 4、制冷剂蒸汽中存在空气或其它不凝性气体的影响

在制冷系统安装和运行过程中，由于系统的不严密，常有空气渗入，此外制冷剂也会分解出一些气体。这些气体在制冷系统中不能被凝结成液体，因而被称为不凝性气体，其中主要是空气。不凝性气体无论是从制冷系统中哪一部分进入，以后都会聚集在冷凝器和高压贮液桶中。在冷凝器中的不凝性气体会造成冷凝器的总压力增大，降低冷凝器的传热效率，并使压缩机消耗的功增加，排汽压力和温度也升高。由此可见制冷系统中存有空气时，必须采取措施，既要防止空气渗入制冷系统内，又要及时地将系统中的不凝气体(主要是空气)利用专门的设备排出。

二、冷凝器的种类及特点

冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三大类。 （一）水冷式冷凝器

水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器。

1、立式壳管式冷凝器

图6—1 立式冷凝器 立式壳管式冷凝器又称立式冷凝器，它是2000年以前氨制冷系统广泛采用的一种水冷式冷凝器。立式冷凝器的结构如图6—1所示，其主要由外壳(筒体)1、管板2及管束3等组成。筒体是由8～16mm的钢板卷成圆柱形筒体后焊接而成，筒体两端各焊有一块多孔的管板，两管板之间焊接或胀接ф38～ф70的无缝钢管数十根。冷却水从顶部进入管束，沿管内壁往下流。制冷剂蒸汽从筒体高度2/3处的进汽口进入管束间空隙中，管内的

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冷却水与管外的高温制冷剂蒸汽通过管壁进行热交换，从而使制冷剂蒸汽被冷凝成液体并逐渐下流到冷凝器底部，经出液管流入贮液器。吸热后的水则排入下部的混凝土水池中，再用水泵送入冷却水塔中经过冷却后循环使用。

为了使冷却水能够均匀地分配给各个管口，冷凝器顶部的配水箱内设有匀水板并在管束上部每个管口装有一个带斜槽的导流器，以使冷却水沿管内壁以膜状水层向下流动，这样既可以提高传热效果又节约水量。

此外，立式冷凝器的外壳上还设有均压管、压力表、安全阀和放空气管等管接头，以便与相应的管路和设备连接。

立式冷凝器的主要特点是：

1°由于冷却流量大流速高，故传热系数较高，一般K=700～814W/m·℃。

2°垂直安装占地面积小，且可以安装在室外。

3°冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水。 4°管内水垢易清除，人工清洗很麻烦，清洗剂清洗需清洗剂量较大。

5°但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大。且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比较容易被发现。

2000年以前立式冷凝器在国内使用较多，在2000年以后，立式冷凝器使用越来越少，武新制冷公司近年来已基本没有订货。

武新制冷公司生产的立式冷凝器有关参数如下： 适用范围及特点：

一般安装在室外，占地面积小，冷却水消耗量较大，清洗方便；适用于水源充足、水质较差的地区。

技术参数：

设计压力：壳程 2.0ＭＰａ 管程 0.4ＭＰａ

试验压力(壳程)：液压试验 2.5ＭＰａ 气密性试验 2.0ＭＰａ 设计温度：壳程 150℃ 管程 50℃ 传热系数 K（W／m2·℃）： 700～814

单位面积热负荷 qF（ W／m2 ） ： 3000～4000

【冷却水温升（2～3）℃，单位面积冷却水量（1.0～1.7）m3／（m2·h），当进水温度（30～32）℃时推荐取 qF（3000～3500） W／m2】

立式冷凝器主要数据表

冷凝面积容器类别2

型号LN50LN75LN100LN120LN150LN200LN250LN310LN350LN400LN450图号510511C7116512513C7136514515C7151C7156519m51761011211502012513113524014522EM筒体直径DN(mm)550650750800900100012001300135014001500主要尺寸mmLL1L2440460460500500550550550630630750330350350380380440440460460460460支座尺寸mmABd05306307307808809801080128013301370147062072083088098010801200140014501490159026质量kg183024203320398049006610808010020110701232013940150二32220

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附件规格表

立 式 冷 凝 器 型 号 附 件 名 称 直通式截止阀 直通式截止阀 直角式截止阀 直角式截止阀 直角式截止阀 压 力 表 阀 压 力 表 直角式截止阀 安 全 阀 直角式截止阀 分水器 (个) 地 脚 螺 栓 代号 数量 d d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 1 4组 89 133 173 211 283 20 20 15 349 415 546 614 703 797 20 4 YZA-100（-0.1～2.5）MPa 25(直通式截止阀) 25 65 32 80 40 80 40 100 50 LN50 LN75 LN100 LN120 LN150 LN200 LN250 LN310 LN350 LN400 LN450 用途说明 附件规格DN（mm） 100 50 125 65 20 15 25（直通式截止阀） 125 65 125 80 150 80 150 80 200 80 用户自备 进气 用户自备 出液 备注 放油 混合气 平衡 压力表前 测压 32(直通式截止阀) 安全阀前 32 放空气 M24×300 M30×400 M30×630

2、卧式壳管式冷凝器

图6—2 卧式冷凝器 卧式冷凝器的结构如图6—2所示。它与立式冷凝器有相类似的壳体结构，但在总体上又有很多不同之处，主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器两端管板外面各用一个端盖封闭，端盖上铸有经过设计互相配合的分水筋，把整个管束分隔成几个管组。从而使冷却水从一端端盖下部进入，按顺序流过每个管组，最后从同一端盖上上部流出过程中，要往返4～10个回程。这样做既可以提高管内冷却水的流速，从而提高传热系数，又使使高温的制冷剂蒸气从壳体上部的进气管进入管束间与管内冷却水进行充分的热交换。冷凝下来的液体从下部出液管流入贮液筒。

在冷凝器的另一端端盖上还常设有排空气阀和放水旋塞。排气阀在上部，在冷凝器投入运行开始时打开，以排出冷却水管中的空气，使冷却水畅通地流动，切记不要与放空气阀混淆，以免造成事故。放水旋塞供冷凝器停用时放尽冷却水管内的存水，避免冬季因水冻结而冻裂冷凝器。

卧式冷凝器的壳体上同样留有若干与系统中其它设备连接的诸如进气、出液、均压管、放空气管、安全阀、

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压力表接头及放油管等管接头。

卧式冷凝器不仅广泛地用于氨制冷系统，也可以用于氟利昂制冷系统，但其结构略有不同。氨卧式冷凝器的冷却管采用光滑无缝钢管或横纹管，而氟利昂卧式冷凝器的冷却管一般采用低肋铜管。这是由于氟利昂放热系数较低的缘故。值得注意的是，有的氟利昂制冷机组一般不设贮液筒，只采用冷凝器底部少设几排管子，兼作贮液筒用。

卧式和立式冷凝器，二者除安放位置和水的分配不同外，水的温升和用水量也不一样。立式冷凝器的冷却水是靠重力沿管内壁下流，只能是单行程，故要得到足够大的传热系数K，就必须使用大量的水。而卧式冷凝器是用泵将冷却水压送到冷却管内，故可制成多行程式冷凝器，且冷却水可以得到足够大的流速和温升(Δt=4～6℃)。所以卧式冷凝器用少量的冷却水就可以得到足够大的K值。但过分地加大流速，传热系数K值增大不多，而冷却水泵的功耗却显著增加，所以氨卧式冷凝器的冷却水流速一般取1m/s左右为宜，氟利昂卧式冷凝器的冷却水流速大多采用1.5～2m/s。

总上所述，卧式冷凝器传热系数高，冷却水用量小，结构紧凑、操作管理方便。但要求冷却水的水质好，且清洗水垢不方便，一般采用清洗剂清洗，泄漏时也不易发现。目前在国内制冷系统用得较多。

武新制冷公司生产的卧式冷凝器有关参数：

适用范围及特点：

一般安装在室内，结构紧凑，传热效果好，冷却水进出口温差比立式冷凝器较大，故水循环量较立式冷凝器小；适用于水质良好的地区，大、中、小型氨制冷装置都可采用。

技术参数：

设计压力：壳程 2.0ＭＰａ 管程 ０.8ＭＰａ

试验压力(壳程)：液压试验 ２.５ＭＰａ 气密性试验 ２.０ＭＰａ 设计温度：壳程 １５０℃ 管程 ５０℃ 传热系数 K（W／m2·℃）：814～1045 水程阻力损失：≤0.06MPa 单位面积热负荷qF（W／m2）：3500～4650

【冷却水温升（4～6）℃，单位面积冷却水量（0.7～0.9）m3／（m2·h）】

卧式冷凝器（横纹管）主要数据表

型号WN50WN75WN110WN150WN200WN250WN300WN350WN400WN450WN500WN550WN700WN800图号FB203520A521AC4126523AC4136C4141C4146525A526A528A529AC4181C4191冷凝面积容器类别筒体尺寸m25075110150200250300350400450500550700800二EMDN(mm)5006007009008008009001000100010001100110014001400L40553805416539206100675570206140651069556980614572008200外形尺寸mmB6656557509458409309451065106510651575156015601560H13001330149018401740179520301860189018901900220022002200B1360400460590530530590600600600660660840840安装尺寸mmB2510550640810720720810760760760820820100010001702424×641502020×45Cd0b×L质量kg164019652685331548005580686579958435899011060132001702019360

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卧式冷凝器（横纹管）主要尺寸表 型号WN50WN75WN110WN150WN200WN250WN300WN350WN400WN450WN500WN550WN700WN800L188094095011851515145015601340152515251575144017101710L224002040244017003200400036003560356540104000342040005000L3340360380450800600800370550330600345655655L4625560570630620852660770775990875625955955主 要 尺 寸 mmL5L6L785080010008001900200021001600173517352100185521552655850800900800190026002100225025352755260023552155215590120130200-------240--H1485510560760710610760710910910765920925925H2160140150180200210210235235235260300300300H3325H4300300300330390390410450450450550550630630360310405

附件规格表

卧 式 冷 凝 器 型 号附 件 名 称直角式截 止阀压 力 表 阀压 力 表直通式截止阀直通式截止阀安 全 阀直通式截止阀直通式截止阀平 面 法 兰平 面 法 兰地 脚 螺 栓d6d7d84组40100100d3d4d518025254015015050150150M16×300652002006520020010032125323280250250100300300M20×300125150代号数量d1d2104YZA-100(-0.1～2.5)MPa402004040150400400安全阀前出 液进 水出 水用户自备WN50WN75WN110WN150WN200WN250WN300WN350WN400WN450WN500WN550WN700附 件 规 格 DN（mm）15WN800用途说明备注放 空 气压力表前测 压 力平 衡进 气用户自备用户自备 3、套管式冷凝器

图6—3 套管式冷凝器 图6—4 氟利昂套管式冷凝器 套管式冷凝器是由两种不同直径的无缝钢管或两种不同直径的铜管套装在一起而组成的，外套管直径一般为φ57×3mm，内管直径为φ38×3.5mm。其结构如图6—3所示。

制冷剂的蒸气从上方进入内外管之间的空腔，在内管外表面上冷凝，液体在外管底部依次下流，从下端流

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入贮液器中。冷却水从冷凝器的下方进入，依次经过各排内管从上部流出，与制冷剂呈逆流方式。这种冷凝器的优点是结构简单，便于制造，且因系单管冷凝，介质流动方向相反，故传热效果好，当水流速为1～2m/s时

2

传热系数可达930W/(m·℃)。其缺点是金属消耗量大，而且当纵向管数较多时，下部的管子充有较多的液体，使传热面积不能充分利用。另外紧凑性差，清洗困难，并需大量连接弯头。因此，这种冷凝器在氨制冷装置中已很少应用。

对于小型氟利昂空调机组仍广泛使用套管式冷凝器，为了缩小机组体积将套管弯成盘管形状，如图6—4所示。通常是把封闭型压缩机放在冷凝器中间，使整个机组布置紧凑。这类套管式冷凝器内部常套有3～4根内管。内管内侧带有纵向肋片，氟利昂在内管内冷凝，而水在内管外的环形空间中流动，有时也用塑料管或橡皮管代

2

替外管。这类套管式冷凝器的传热系数可达1050～1160W/(m·℃)。主要用在制冷量为20kW左右的小型氟利昂机组中。

（二）空气冷却式冷凝器

空气冷却式冷凝器是以空气作为冷却介质，靠空气的温升带走冷凝热量的。这种冷凝器适用于极度缺水或无法供水的场合，常见于小型氟利昂制冷机组。根据空气流动方式不同，可分为自然对流式和强迫对流式两种。自然对流式又有线管式和百叶窗式两种结构形式，如图6—5a所示，从结构和性能来看，前者散热效果好，加工方便，成本低。因此，电冰箱常采用线管式冷凝器。

百叶窗式 线管式 (a)自然对流式 (b)风冷式

强迫对流的风冷式冷凝器都是采用铜管穿整体铝片的结构，如图6—5b所示。铝片厚0.2～0.3mm，片距为2～4mm。风冷式冷凝器在沿空气流动方向上，常为2～8排蛇形盘管并联，迎面风速2～3m/s，氟利昂蒸汽由上集管进入每一排蛇形盘管中，冷凝液汇集于下集管，然后进入贮液器。

2

风冷式冷凝器的主要特点是不需冷却水且使用管理方便，但传热系数小，一般约为23～29W/(m·℃)，所以设计计算时取较大的平均温差Δt=10～15℃，否则需要较大的传热面积，会造成经济上的不合理。 （三）蒸发式冷凝器

图6—5 空气冷却式冷凝器 图6—6 蒸发式冷凝器原理图 蒸发式冷凝器的换热主要是靠冷却水在空气中蒸发吸收气化潜热而进行的。按空气流动方式可分为吸入式和压送式，如图6—6所示。

蒸发式冷凝器由冷却管组、给水设备、通风机、挡水板和箱体等部分组成。冷却管组为无缝钢管弯制成的蛇形盘管组，装在薄钢板制成的长方形箱体内。箱体的两侧或顶部设有通风机，箱体底部兼作冷却水循环水池，

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如图6—6所示。

蒸发式冷凝器工作时，制冷剂蒸汽从上部进入蛇形管组，在管内凝结放热并从下部出液管流入贮液器。而冷却水由循环水泵送到喷水器，从蛇形盘管组的正上方向盘管组的表面喷淋，通过管壁吸收管内冷凝热量而蒸发。设在箱体侧面或顶部的风机强迫空气自下而上掠过盘管，促进水的蒸发并带走蒸发的水分。其中，风机安装在箱体顶部，蛇形管组位于风机的吸气侧时称为吸入式蒸发冷凝器，而风机安装在箱体两侧，蛇形管组位于风机的出气侧时称为压送式蒸发冷凝器，吸入式空气能均匀地通过蛇形管组，故传热效果好，但风机在高温高湿条件下运行，易发生故障。压送式虽空气通过蛇形管组不太均匀，但风机电机工作条件好。 蒸发式冷凝器的特点：

1、与直流供水的水冷式冷凝器相比，节省水95％左右。但与水冷式冷凝器和冷却塔组合使用时相比较，用水量差不多。

2、与水冷式冷凝器和冷却塔组合系统相比，二者的冷凝温度差不多，但蒸发式冷凝器结构紧凑。而与风冷式或直流供水的水冷式冷凝器相比，其尺寸就比较大。

3、与风冷式冷凝器相比，其冷凝温度低。尤其是干燥地区更明显。全年运行时，冬季可按风冷式工作。与直流供水的水冷式冷凝器相比，其冷凝温度高些。 4、冷凝盘管易腐蚀，管外易结垢，且维修困难。

总上所述，蒸发式冷凝器的主要优点是耗水量小，但循环水温高，冷凝压力大，清洗水垢困难，对水质要求严。特别适用于干燥缺水地区，宜在露天空气流通的场所安装，或安装在屋顶上，不得安装在室内。单位面

2

积热负荷一般为1.2～1.86kW/m。

国内生产蒸发式冷凝器主要的两家是大连的巴尔的摩公司和上海的益美高公司： 巴尔的摩蒸发式冷凝器制冷剂R22和R134A的排热量校正系数 冷凝温度 进风空气湿球温度（℃） 12 14 16 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 0.84 0.92 1.01 1.13 1.29 1.40 1.53 1.70 1.91 2.19 2.59 3.18 （℃） 10 29 31 33 35 37 39 41 43 45 冷凝温度 0.75 0.81 0.88 0.97 1.08 1.15 1.24 1.34 1.47 1.62 1.83 2.10 2.48 0.68 0.72 0.77 0.84 0.92 0.98 1.03 1.10 1.19 1.28 1.40 1.56 1.75 2.37 0.61 0.65 0.69 0.74 0.81 0.84 0.89 0.93 0.99 1.06 1.14 1.23 1.35 1.68 0.56 0.59 0.62 0.66 0.71 0.74 0.77 0.81 0.85 0.90 0.95 1.01 1.09 1.29 0.52 0.54 0.57 0.60 0.64 0.66 0.68 0.71 0.74 0.78 0.82 0.86 0.91 1.05 0.48 0.49 0.52 0.54 0.57 0.59 0.61 0.63 0.66 0.68 0.71 0.75 0.78 0.88 0.44 0.46 0.48 0.50 0.52 0.54 0.55 0.57 0.59 0.61 0.63 0.66 0.68 0.75 0.41 0.42 0.44 0.46 0.48 0.49 0.50 0.52 0.53 0.55 0.56 0.58 0.61 0.66 进风空气湿球温度（℃） 12 14 16 18 19 20 21 22 23 24 25 26 28 0.71 0.76 0.84 0.94 1.07 1.16 1.27 1.40 1.57 1.80 2.12 2.61 巴尔的摩蒸发式冷凝器制冷剂R717的排热量校正系数 （℃） 10 29 31 33 35 37 39 41 43 45 0.63 0.67 0.73 0.80 0.89 0.95 1.02 1.10 1.20 1.33 1.49 1.71 2.02 0.56 0.60 0.64 0.69 0.76 0.80 0.85 0.90 0.97 1.05 1.14 1.26 1.42 1.92 0.51 0.53 0.57 0.61 0.66 0.69 0.72 0.76 0.81 0.86 0.92 1.00 1.09 1.35 0.46 0.48 0.51 0.54 0.58 0.60 0.63 0.66 0.69 0.72 0.77 0.82 0.88 1.04 0.42 0.44 0.46 0.49 0.52 0.53 0.55 0.57 0.60 0.62 0.66 0.69 0.73 0.84 0.39 0.40 0.42 0.44 0.46 0.48 0.49 0.51 0.53 0.55 0.57 0.60 0.63 0.70 0.36 0.37 0.38 0.40 0.42 0.43 0.44 0.45 0.47 0.49 0.50 0.52 0.54 0.60 0.33 0.34 0.35 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43 0.45 0.46 0.48 0.52 44

注：实际排热量＝排热量×校正系数

（四）淋水式冷凝器

淋水式冷凝器是靠水的温升和水在空气中蒸发带走冷凝热量。其结构如图6—7所 示。其主要由换热盘管、淋水箱等组成。制冷剂蒸气从换热盘管下部进汽口4进入，而冷却水从淋水箱的缝隙流到换热盘管的顶端，成膜状向下流，水吸收冷凝热，在空气的自然对流情况下，由于水的蒸发，而带走部分冷凝热热量。被加热后的冷却水流入水池中，再经冷却塔冷却后循环使用，或排掉一部分水，而补充一部分新鲜水送入淋水箱。冷凝后的液态制冷剂流入贮液器中。 这种冷凝器主要用于大、中型氨制冷系统中。它可以露天安装，也可安装在冷却塔的下方，但应避免阳光直射。淋水式冷凝器的主要优点为：1、结构简单，制造方便；2、漏氨时容易发现，维修方便；3、清洗方便；4、对水质要求低。其主要缺点是：1、传热系数低；2、金属消耗量高；3、占地面积大。

§7-2 蒸发器

蒸发器也是一种换热设备，与冷凝器所不同的是蒸发器是吸热设备。在蒸发器中，由于低压液体制冷剂气化，从需要冷却的物体或空间吸热，从而使被冷却的物体或空间的温度降低，达到制冷的目的。因此，蒸发器是制冷装置中产生和输出冷量的设备。

根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类：

(1)冷却液体载冷剂的蒸发器。用于冷却液体载冷剂——水、盐水或乙二醇水溶液等。这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等。

(2)冷却空气的蒸发器。这类蒸发器有冷却排管和冷风机。 一、卧式蒸发器

图6—7 淋水式冷凝器 (a) 壳管式蒸发器 (b) 干式蒸发器 图6—8 卧式蒸发器 卧式蒸发器又称为卧式壳管式蒸发器。其与卧式壳管式冷凝器的结构基本相似。按供液方式可分为满液式蒸发器和干式蒸发器两种，如图6—8所示。

1、卧式壳管满液式蒸发器

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满液式蒸发器：即载冷剂以1～2m/s的速度在管内流动，管外的管束间大部分充满制冷剂体，二者通过管壁进行充分的热交换。吸热蒸发的制冷剂蒸汽，经蒸发器上部的液体分离器，进入压缩机。

为了保证制冷系统正常运行，这种蒸发器中制冷剂的充满高度应适中。液面过高可能使回气中夹带液体而造成压缩机发生液击；反之，液面过低会使得部分蒸发管露出液面而不起换热作用，从而降低蒸发器的传热能力。因此，对于氨蒸发器其充满高度一般为筒体直径的70～80％，对于氟利昂蒸发器充满高度一般为筒体直径的55～65％。

卧式满液式蒸发器广泛使用于闭式盐水循环系统。其主要特点是：结构紧凑，液体与传热表面接触好，传热系数高。但是它需要充入大量制冷剂，液柱对蒸发温度将会有一定的影响。且当盐水浓度降低或盐水泵因故停机时，盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂，则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外清洗时需停止工作。

武新制冷公司生产的氨卧式壳管满液式蒸发器有关参数如下： 适用范围及特点：

卧式壳管满液式蒸发器广泛应用于制冷系统中，制冷剂在管间蒸发，载冷剂在管内流动。载冷剂可以是水、盐水或其它液体。

卧式壳管满液式蒸发器与立式蒸发器相比，具有结构紧凑、占地面积小、易于安装、使用方便、传热性能好、可以减少盐水的腐蚀等优点。

技术参数：

设计压力：壳程１.６Ｍ Ｐａ 管程 0.8ＭＰａ

试验压力(壳程)：液压试验２.０ＭＰａ 气密性试验１.６ＭＰａ 设计温度：４０℃

水 量: (0.4～0.65)m3/(m2?h) 水程阻力损失:≤0.06MPa 传热系数 Ｋ（Ｗ／ｍ2·℃）： 水460～580 盐水400～546 单位面积热负荷ｑＦ（Ｗ／ｍ2）：水2300～2900 盐水2100～2560 【载冷剂温差≈(4～6)℃，水速（１～２）ｍ／ｓ。】 卧式蒸发器外形尺寸图

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卧式蒸发器主要数据表

型号图号蒸发面积容器类别筒体尺寸m25060110150EMDN(mm)550550700750外形尺寸mmLBH558591559009156250995669512701340134016201650安装尺寸mmB1510510640720B2360360460530C150150150150 d0质量b×lkgWZ50E4106WZ60570WZ110571WZ150E4126aΦ2020×451670Φ2020×452020Φ2020×453100Φ2020×453880二卧式蒸发器（T型管）主要数据表 型号WZ200WZ250WZ360WZ420WZ450WZ500WZ550WZ750图号E4216E4221FB195FB196E4241E4246E4251E4262蒸发面积容器类别筒体尺寸外形尺寸mm安装尺寸mm质量 d0m2200250360420450500550750EMDN(mm)L900100011001200120014001400150062456210635064006860685568557255B13251300163017601760174017401980H18701990230024002400260026002800B1810760820880880100010001060B2590600660720720840840900C150170170170170170170200b×lkgΦ2020×455360Φ2424×645880Φ2424×648260Φ2424×649280Φ2424×649720Φ2424×6410960Φ2424×6412450Φ2424×6414220二卧式蒸发器（不锈钢）主要数据

型号WZ60WZ100WZ105WZ150WZ220图号蒸发面积容器类别筒体尺寸外形尺寸mm安装尺寸mm质量m260100105150220EMDN(mm)550750700750900L60206580580566957305B9601270116012701395H13801650185016501940B1510720660720810B2360530500530590C150150150150150 d0b×lkgE4308FB194FB264E4126cE4328Φ2020×452350Φ2020×453360Φ2020×453175Φ2020×454390Φ2020×456080二

2、干式氟利昂蒸发器

这种蒸发器的外形和结构与卧式壳管满液式蒸发器基本一样，如图6—8所示。它们之间的主要区别在于：制冷剂在管内流动，而载冷剂在管外流动。节流后的氟利昂液体从一侧端盖的下部进入蒸发器，经过几个流程后从端盖的上部引出，制冷剂在管内随着流动而不断蒸发，所以壁面有一部分为蒸气所占有，因此，它的传热效果不如满液式。但是它无液柱对蒸发温度的影响，且由于氟利昂流速较高(≥4m/s)，则回油较好。此外，由于管外充入的是大量的载冷剂，从而减缓了冻结的危险。

这种蒸发器内制冷剂的充注量只需满液式的1/2～l/3或更少，故称之为“干式蒸发器”。为了提高载冷剂的流速并使其横向冲刷管束，在壳体内装有多块折流板，以提高传热效果。干式氟利昂蒸发器常用于冷却淡水，水的流速一般为0.5～1.5m/s，铜管时一般取1.0m/s。

目前武新制冷公司生产的干式蒸发器主要用于小型冷水机组、低温盐水机组、低温乙二醇机组。 二、立管式和螺旋管式蒸发器

立管式和螺旋管式蒸发器的共同点是制冷剂在管内蒸发，整个蒸发器管组沉浸在盛满载冷剂的箱体内(或池、槽内)，为了保证载冷剂在箱内以一定速度循环，箱内焊有纵向隔板和装有螺旋搅拌器。载冷剂流速一般为0.3～0.7m/s，以增强传热。

这两种蒸发器只能用于开式循环系统，故载冷剂必须是非挥发性物质，常用的是盐水和水等。如用盐水，蒸发器管子易被氧化，且盐水易吸潮而使浓度降低。这两种蒸发器可以直接观察载冷剂的流动情况，广泛用于以氨为制冷剂的盐水制冷系统。

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图6—9 立管式蒸发器 1、供液 2、回汽 3、放油 4、集液管 5、搅拌器 6、立管 7、集汽管 、立管式蒸发器 立管式蒸发器全部由无缝钢管焊制而成。蒸发器的列管以组为单位，按照不同的容量 1

要求，蒸发器可由若干组列管组合而成。每一组列管由两个直径较大的水平集管，上面的称为蒸气集管，下面称为液体集管。和在集管上焊接两头弯曲的细立管及粗立管组成，如图6—9所示。

上、下水平集管的管径一般为D108×4或D121×4，细立管的直径一般为D57×3.5或D38×3，粗立管的直径一般为D76×4。上集管的一端接汽液分离器，分离回汽中夹带的液滴。下集管的一端与集油器相连。来自贮液器的高压、常温液体制冷剂经节流后从上集管中部的进液管进入蒸发器，进液管位于粗立管中并往下伸至下集管。这样就保证液体能较均匀地分配到各根立管中。由于细立管的相对换热面积较粗立管大，所以在细立管内液体先蒸发产生大量的蒸气并引带液体上升。汽液混合物进入上集管后，其中大部分液体又经粗立管返回下集管，形成了内部循环。而夹带的部分液滴的蒸汽进入汽液分离器，分离出来的液体再次返回下集管，蒸汽被压缩机吸走。蒸发器的润滑油沉积在集油器中，以便定期放出。

5 6 图6—10 螺旋管式蒸发器 1、供液管 2、螺旋管 3、回汽管 4、放油 5、汽液分离器 6、搅拌器 2、螺旋管式蒸发器 螺旋管式蒸发器是对立管式蒸发器改进后的一种变型。其总结构与立管式相似，如图6—10所示。二者的不同是螺旋管式蒸发器在上、下集管之间焊接的是用两排螺旋管取代了立管。在集管距离相等时，使传热面积增大，因此结构尺寸紧凑，且焊接头较少，加工制造容易。

在此基础上，国内又开发生产了双头螺旋管式蒸发器，它的螺旋管是由螺径不同的内外两圈组合而成。这样使得蒸发器的结构更为紧凑。

武新制冷公司生产的螺旋管式蒸发器有关参数如下： 适用范围及特点：

由一组螺旋管组成，用以冷却水、盐水或其它液体的蒸发器。该器结构简单，蓄冷量大，操作管理方便，

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载冷剂冻结的危险性小；由于是敞开式设备；便于检查、观测及维修。

螺旋管式蒸发器与立管式相比，单位体积的传热面积较大，传热系数约高（12～18）％，节约钢材约15％，节省工时约40％。 技术参数：

设计压力(管程)：１.６ＭＰａ

试验压力(管程)：气压试验：１.８４ＭＰａ 传热系数 Ｋ（Ｗ／ｍ2·℃）： 水 580～690 盐水 460～580 单位面积热负荷ｑＦ（Ｗ／ｍ2）：水 2900～3480 盐水 2300～2900 【△ｔｍ≈５℃，水或盐水流速（0.5～０.７）ｍ／ｓ】 螺旋管式蒸发器外形尺寸图

螺旋管组（LZL30～LZL80）外形尺寸图

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注：LZL30、LZL45螺旋管组：h1=910、h2=1480、b1=240、b2=430 LZL60～LZL80螺旋管组：h1=995、h2=1916、b1=350、b2=570 螺旋管式蒸发器主要数据表

型号LZL90LZL120LZL135LZL180LZL270LZL320LZL360LZL640蒸发面积螺旋管组型号LZL30LZL60LZL45LZL45LZL45LZL80LZL72LZL80管组数×每组面积主要尺寸mmLL1L2L3L4L5BHH1H2b500043003960800212035701655241013001520570623555355000100027554610154019151325190035566805980565012003010528016552510570668059805650120030105280216025101300152014566805980565012003010528031902590773570356500140034556110288533207135643559001300305555103540332013251900773570356500140034556110553033200000水箱容积质量kg37604710521568809785118501340021480m290120135180270320360640m23×302×603×454×456×454×805×728×80m388111422192238三、冷却排管 冷却排管是用来冷却空气的一种蒸发器。长期以来广泛地应用于低温冷藏库中，制冷剂在冷却排管内流动并蒸发，管外作为传热介质的被冷却空气作自然对流。

冷却排管的型式繁多。按管组在库房中的安装位置可分为三种：墙排管、顶排管和搁架式排管。若按结构分也可分为竖管式、横管式和盘管式三类。

冷却排管最大的优点是结构简单，便于制作，对库房内贮存的非包装食品造成的干耗较少。但排管的传热系数较低，且融霜时操作困难，不利于实现自动化。对于氨直接冷却系统用无缝钢管焊制，采用光管或绕制翅片管；对于氟利昂系统，大都采用绕片或套片式铜管翅片管组。

(a)立管式 (b)蛇管式 (c)U形排管 图6—11 冷却排管结构型式 1、立管式墙排管 这种冷却排管通常用于冻结物的冷藏间靠墙布置，故称为墙排管。立管式墙排管只适用于重力供液的氨制冷系统。其结构如图6—11a所示。

立管式墙排管由上、下各一根直径为D76×3.5或D89×3.5的水平集管与数十根直径为D38×2.2或D57×3.5mm，高度为2.5～3.5m的立管焊接而成。相邻两立管之间的中心距为100～130mm，立管的高度和根数可根据所需的传热面积及库内净高而定。

立管式墙排管工作时，氨液由下集管进入，产生的蒸汽由上集管排出，因而蒸汽能很容易地排出，传热效果较好，除霜也方便。它的缺点是：焊接接头多，制作工作量大，排管充液量大，通常为排管容积的60％～80％。且当排管的高度较大时，由于静液柱的影响，使排管下部管段内的的氨液饱和蒸发温度显著增高，从而使传热温差降低，传热量减少，尤其当系统的蒸发温度较低时更突出，故在较低蒸发温度(低于—33℃)时不宜采用。

2、蛇管式排管 蛇管式排管多是用D38×2.2mm的无缝钢管弯制而成，如图6—11b所示。可以是单排的也可以是双排的，每排由一根或两根光管组成，如当库房的热负荷较大，所需的传热面积较大时，可用两根单排或双排的盘管式排管，因为这种排管的结构比较紧凑，与单根单排相比，可以获得较大的传热面积，但不管是单排还是双排，每一供液回路的总长度不应超过一定值，否则后段盘管为蒸气所充满传热效果很差。此外，在垂直方向上盘管的管数应为偶数，使制冷剂在同一侧进入和引出，便于安装连接。

蛇管式排管的适用范围较广。蛇管式顶管重力供液或氨泵供液均可；单排和双排蛇管式墙排管可用于下进上出式的氨泵供液系统及重力供液系统，对单根蛇管式排管还可用于氨泵上进下出供液系统和热力膨胀阀供液

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